详解i2c总线协议的工作原理
0 2022-11-30


一、概述

  1、I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。 SCL:上升沿将数据输入到每个EEPROM器件中;下降沿驱动EEPROM器件输出数据。(边沿触发)

  SDA:双向数据线,为OD门,与其它任意数量的OD与OC门成\线与\关系。

  I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时,两根线均为高电平(SDL=1;SCL=1)。连到总线上的任一器件输出的低电平,都将使总线的信号变低,即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

  2、主设备与从设备

  系统中的所有外围器件都具有一个7位的\从器件专用地址码\,其中高4位为器件类型,由生产厂家制定,低3位为器件引脚定义地址,由使用者定义。主控器件通过地址码建立多机通信的机制,因此I2C总线省去了外围器件的片选线,这样无论总线上挂接多少个器件,其系统仍然为简约的二线结构。终端挂载在总线上,有主端和从端之分,主端必须是带有CPU的逻辑模块,在同一总线上同一时刻使能有一个主端,可以有多个从端,从端的数量受地址空间和总线的最大电容 400pF的限制。

  主端主要用来驱动SCL line; 从设备对主设备产生响应;

  二者都可以传输数据,但是从设备不能发起传输,且传输是受到主设备控制的。

  二、协议

1.空闲状态

  I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时,规定为总线的空闲状态。

  此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态,即释放总线,由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

  2.起始位与停止位的定义: 起始信号:当SCL为高期间,SDA由高到低的跳变;启动信号是一种电平跳变时序信号,而不是一个电平信号。

  停止信号:当SCL为高期间,SDA由低到高的跳变;停止信号也是一种电平跳变时序信号,而不是一个电平信号。

  起始和终止信号都是由主机发出的,在起始信号产生后,总线就处于被占用的状态;在终止信号产生后,总线就处于空闲状态。

  接收器件收到一个完整的数据字节后,有可能需要完成一些其它工作,如处理内部中断服务等,可能无法立刻接收下一个字节,这时接收器件可以将SCL线拉成低电平,从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时,再释放SCL线使之为高电平,从而使数据传送可以继续进行。

  3.ACK

  发送器每发送一个字节,就在时钟脉冲9期间释放数据线,由接收器反馈一个应答信号。 应答信号为低电平时,规定为有效应答位(ACK简称应答位),表示接收器已经成功地接收了该字节;应答信号为高电平时,规定为非应答位(NACK),一般表示接收器接收该字节没有成功。 对于反馈有效应答位ACK的要求是,接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低,并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器,则在它收到最后一个字节后,发送一个NACK信号,以通知被控发送器结束数据发送,并释放SDA线,以便主控接收器发送一个停止信号P。

  如下图逻辑分析仪的采样结果:释放总线后,如果没有应答信号,sda应该一直持续为高电平,但是如图中蓝色虚线部分所示,它被拉低为低电平,证明收到了应答信号。 这里面给我们的两个信息是:1)接收器在SCL的上升沿到来之前的低电平期间拉低SDA;2)应答信号一直保持到SCL的下降沿结束;正如前文红色标识所指出的那样。


  4.数据的有效性:

  I2C总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。


  5.数据的传送:

  在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应(或同步控制),即在SCL串行时钟的配合下,在SDA上逐位地串行传送每一位数据。数据位的传输是边沿触发。

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