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I2C(Inter IC Bus)是有飞利浦公司开发的一种通用数据总线主要通过两个通信线SCL和SDA进行通信其中SCL(Serial Clock)是时钟线用于收发双方同步数据SDA(Serial Data)是数据线用于传输数据。是一种同步半双工的数据总线其有数据应答功能支持在总线上挂载多个设备。 不少的设备比如说常用的0.42寸的OLED显示器MPU6050加速度传感器AT24C02存储器模块DS3231实时时钟模块等都是用I2C协议
二、硬件电路分析
I2C典型电路如下
所有I2C设备的SCL连在一起SDA连在一起设备的SCL和SDA都需要设置为开漏输出模式SCL和SDA各配置一个上拉电阻阻值一般为4.7k欧姆
在I2C中支持总线挂载多设备主要有一主多从多主多从两个模式。在主从控制中CPU作为总线的主机的权利很大一般掌握着SCL和SDA的控制而从机只有在申请发送数据或做出应答的时候才能从主机中获取到SDA的控制权而SCL的控制权任何时刻都是在主机手里的。
由于主机拥有SCL的绝对控制权主机的SC应该L配置成推挽输出而从机的SCL设置为浮空输入或者上拉输入时钟信号由主机发送所有从机负责接收并且对齐时钟信号。 对于SDA主机和从机都可能会在输入和输出之间切换而如果时钟同步没做好可能会出现两个设备同时对SDA进行操作的情况如果其中一个输出高电平另外一个输出低电平则会导致线路短路另外协调电路中各个设备使得只有一个设备在发送信息是一件很麻烦的事情。为了避免这种情况I2C禁止所有设备输出强上拉的高电平采用外置的弱上拉电阻加开漏输出的电路结构这也是上述典型电路中的1、2点。
对于开漏输出实际上的引脚的内部结构是只有下拉接负极的开关管而没有接正极的上拉开关管因此引脚只能输出0电平或者浮空而由于外置了上拉电阻则在浮空的时候SDA会被外置电阻弱上拉为高电平从而避免了同时有强下拉和强上拉的情况。这样子就杜绝了电源短路的情况。
并且这个设计开漏加弱上拉的模式同时兼具了输入和输出的功能如果需要输出则直接使用开漏输出进行操作而想要输入的时候则不做操作直接观察电平高低。另外这个设计还有一个“线与”的性质也就是只要有任意电路输出低电平SDA总线就会处于低电平这可以让CPU执行多主机模式下的时钟同步和总线仲裁这是多主多从模式的基础。同时如果发送SDA总线处于低电平状态则表明有人正在占用SDA
总之这个设计有三个优点
避免线路短路兼顾输入和输出可实现多主多从
三、I2C时序基本单元
3.1 发送和接收数据
I2C规定I2C的起始条件和终止条件如下 起始和终止都是由主机控制空闲的时候所有从设备都需要保持端口浮空。
发送一个字节 SCL低电平期间主机将数据一次放在SDA总线上然后释放SCL从机将在SCL高电平期间读取数据位所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化依次重复八次则发送一个字节。比如说首先主机拉低SCL然后将SDA也拉低表示发送一个0然后保持SDA低电平释放SCL此时各个从设备负责读取SDA电平状态0以此往复。如果主机进中断了停止操作SCL和SDA那么SCL和SDA则会保持当前状态传输暂停不会导致传输丢失的情况这是同步时序的好处。
接收一个字节 SCL低电平期间从机将数据一次放在SDA线上然后主机释放SCL主机会在SCL高电平期间读取数据。所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化依次重复八次则主机接收一个字节
主机接收和发送的区别是主机接受之前需要释放SDA而发送之前需要拉低SDA
3.2 发送和接收应答
发送应答主机接受完一个字节之后在下一个时钟发送一位数据数据0表示应答1表示非应答 接收应答主机在发送完一个字节之后在下一个时钟接收一位数据判断从机是否应答数据0表示应答数据1表示非应答。主机在接受前需要释放SDA 3.3 数据帧分析
有了上面六个切片我们就可以将它们组成一个完整的数据帧了。
指定地址写 主机首先需要发送一个字节确定发送的对象该字节是从机的地址。从机地址分为7位地址和10位地址其中7位地址是厂商按芯片型号赋值的而后三位则是可变地址使得在挂载多个相同型号的芯片的时候可以做出区分。这个就是指定从机步骤。而一个字节有8个位其中7位用于标识从机另外一位是读写位用于表示主机要进行读操作还是写操作。
主机发送指定从机字节后目标从机会立马对主机进行应答也就是主机发送完指定从机字节之后主机会释放SDA此时目标从机立马下拉SDA表示应答而主机在下一个SCL高电平的时候读SDA发现自己释放SDA后SDA仍是低电平根据线与设计证明电路中有设备对SDA进行了下拉操作也就是有设备做出了应答。
一般来说指定地址写在从机应答后主机写的第一个字节是指定写入从机的哪一个寄存器接着再下一个字节是写入的值
指定地址读 接下来则根据读写位进行主机的读写操作。如果主机发送主机读命令那么在指定从机之后会立马进入主机读状态但是此时还不知道主机需要读的是从机哪一个寄存器中的值这怎么办呢在支持I2C的设备中寄存器地址一般都是线性紧挨排布的。而其中会有一个地址指针(假设位于0x19)用于指向寄存器每次读一次指针就会自增一次。因此比如要读取0xAA的寄存器那么首先对指定从机发送一个写请求将0x19的内存单元写为0xA9然后终止。再发起一次主机读然后指定从机接收到请求后0x19自增1变成0xAA然后读出0xAA寄存器中的值。这个操作被称为**“指定地址读”**
