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I2C protocol

概述

I2C (Inter-Integrated Circuit, IIC) 是一种串行通信协议, 属于半双工同步传输类型总线, 可以有多个主设备 (master) 和从设备 (slave). IIC 1982 年由 Philips 公司开发

接口

主设备与从设备之间使用两条线进行通信, 都是双向信号并通过电阻上拉:

• 串行数据线 SDA (Serial Data Line)
• 串行时钟线 SCL (Serial Clock Line)

有两个微处理器的I2C配置示例:

框图

最小配置: (Single controller)

• START condition
• STOP condition
• Acknowledge/Not Acknowledge
• 7-bit target address

工作流程与时序

空闲状态

总线空闲时, SDA 和 SCL 被所接的上拉电阻拉高，保持着高电平

数据有效性

SDA 线上的数据必须在时钟的 HIGH 周期内保持稳定; 只有当 SCL 线上的时钟信号为 LOW 时, 数据线的状态才能改变. 即为传输的每个数据位生成一个时钟脉冲, 如下所示:

起始与结束条件

所有总线事务以 START 开始, 以 STOP 结束:

• 当 SCL 为 HIGH 时, SDA 线上的信号拉低表示开始传输 (START condition)
• 当 SCL 为 HIGH 时，SDA 线上信号拉高表示结束传输 (STOP condition)

数据格式

SDA 线上按8位 byte 传输数据, 每次传输可以传输的字节数是不受限制的, 先传输最高有效位 (MSB). 每个字节后面必须跟一个应答信号 ack/nack

伪握手机制: 可以通过 SCL 进行主机与从机之间的伪握手, 即从机收到地址后, 由于内部寄存器还没准备好, 可以通过主动拉低 SCL 使主机被迫等待, 直到从机准备好后拉高 SCL 时钟线继续通信

应答信号: 每个字节传输之后需要 1-bit 应答信号, 应答信号是接收方通知发送方该字节已被成功接收, 并且可以发送另一个字节. 控制器需要产生包括用于 ack/nack 的第9时钟脉冲在内的所有时钟脉冲

• Acknowledge (ack): 发射方在应答信号时钟脉冲期间释放 SDA 线, 因此接收器可以将 SDA 线拉低, 并且在该时钟脉冲的 HIGH 周期内保持稳定低电平 (还必须考虑设置和保持时间)
• Not Acknowledge (nack): 当 SDA 在第9时钟脉冲期间保持高电平时, 这被定义为非确认信号. 然后控制器可以生成中止传输的 STOP 条件，或者生成开始新传输的重复 START 条件. 有五种情况会导致 nack 的产生
  1. 传输的地址上不存在接收方, 因此没有设备发送 ack
  2. 接受器正在执行一些实时功能, 没有准备好开始与控制器通信, 因此无法接收或发送 ack
  3. 传输过程中, 接收方收到它不理解的数据或命令
  4. 在传输期间，接收方不能再接收任何数据字节
  5. 可作为主机的接收方必须向目标发射方发送传输结束的信号

目标地址与读写控制

完整的数据传输如下所示:

在开始条件后, 传输的第一个字节包括 7-bit 目标地址 address 和 1-bit 读写指示位 R/W:

R/W 为低电平表示写 (WRITE), 高电平表示读 (READ)

如果在一次传输结束后控制器仍然希望在总线上通信, 则它可以生成重复的 START 条件 (Sr) 并寻址另一个目标, 而无需先生成 STOP 条件. 在这样的传输中允许读/写格式的各种组合

常见工作模式

控制器写从机

控制器读从机

读写混合

时钟与通信速率

IIC 协议的时钟频率是可以根据具体应用和设备支持的情况进行调节, 支持的速率如下:

模式	速率
标准模式（Standard Mode）	100kb/s
快速模式（Fast Mode）	400kb/s
增强快速模式（Fast Mode Plus）	1Mb/s
高速模式（High Speed Mode）	3.4Mb/s
极速模式（Ultra-FastMode）	5Mb/s