1. 什么是I2C？

I2C全拼Inter Integrated Circuit，簡稱IIC或I2C，是由Philips公司開發(fā)的兩線時(shí)串行總線，用于SOC與外設(shè)的連接通訊，它只需要兩根線就能實(shí)現(xiàn)I2C的通訊，采用主從模式，主的一方可以讀寫數(shù)據(jù)，而從的一方只能等待被讀寫。從的一方?jīng)]有主動(dòng)權(quán)。

I2C是雙向通訊的，由兩根線完成，分別是：SDA（串行數(shù)據(jù)線）、SCL（串行時(shí)鐘線），接口輸出模式為開漏輸出，其總線接口已經(jīng)集成到SOC內(nèi)部，我們只需要通過原理圖找到它的接口，在用外設(shè)的杜邦線或者其它方法連接到此接口上就可以實(shí)現(xiàn)I2C的通訊。

SDA與SCL都外接了上拉電阻，所以當(dāng)SDA空閑時(shí)刻輸出的永遠(yuǎn)是高電平，它對(duì)外設(shè)也有一定要求，要求外設(shè)的輸出模式也是開漏輸出，因?yàn)檫@跟它本身的電路實(shí)現(xiàn)有關(guān)，若兩個(gè)電路接口模式不一則是無法完成正常通訊的。

其中I2C里的上拉電阻也不是隨便用的，因?yàn)殡娮柚翟礁咭馕吨?a target="_blank">信號(hào)拉高周期越長，那么通訊周期時(shí)間就越高，速率就下來了。

I2C為每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)地址，可以通過這個(gè)地址找到不同的設(shè)備，來表明不同的設(shè)備，只有從設(shè)備收到是自己的地址時(shí)才響應(yīng)。

因?yàn)檫B接在I2C上的可能有很多個(gè)設(shè)備，從設(shè)備需要設(shè)置自己的地址，主設(shè)備不用，因?yàn)橹髟O(shè)備是不會(huì)被從設(shè)備讀寫的，主設(shè)備是負(fù)責(zé)讀寫其它設(shè)備的。

通訊時(shí)會(huì)有一個(gè)起始數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是9個(gè)bit位，前7位是從設(shè)備地址，最后一位是方向（0/1(讀或?qū)?）

這也就表明從設(shè)備的地址不能超過7個(gè)bit

2. I2C組成原理

架構(gòu)圖：

SMBA線用于SMBUS 的警告信號(hào)，I2C 通訊沒有使用，可以忽略

I2C內(nèi)部是有自己的控制單元的，用于處理I2C的通訊，可以說是一個(gè)小芯片，它不屬于CPU，它只是被集成SOC里（看架構(gòu)，有的架構(gòu)是沒有的）

3. I2C的特性

僅需兩根線

接口集成在PCB內(nèi)部

因?yàn)槭情_漏輸出，電流消耗較小(高電流由上拉電阻完成，通常情況下器件不需要輸出高電平所以這塊功耗較小)

世界級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)開發(fā)板都支持

一對(duì)多，一根線接多跟外設(shè)，通過地址區(qū)分，節(jié)省排版空間

4. I2C的通訊模式

雙向傳輸總線：

?

?

單向傳輸總線：

?

?

這些模式是根據(jù)速率來決定的，也就是說我們將I2C通訊速率設(shè)置成與上面對(duì)應(yīng)的速率那么就是處于這個(gè)模式當(dāng)中，其中說是這么快其實(shí)是有延遲的，因?yàn)橐鬟^上拉電阻，這個(gè)取決于上拉電阻的阻值，因?yàn)樾盘?hào)在經(jīng)過上拉電阻時(shí)會(huì)有一個(gè)周期變化，這個(gè)周期變化區(qū)別于阻值。

設(shè)置方法：

我們需要根據(jù)當(dāng)前的PCLK時(shí)鐘頻率來計(jì)算的，這和設(shè)置PWM占空比類似，都需要經(jīng)過計(jì)算然后設(shè)置I2C里的CCR時(shí)鐘控制寄存器的值，因?yàn)槿绻l率不同是無法正常工作的。

如：時(shí)鐘頻率是66MHZ，預(yù)分頻值是65MHZ，系數(shù)是1/2那么計(jì)算公式如下：

時(shí)鐘頻率=PCLK/((預(yù)分頻值+1))/分頻系數(shù)

PCLK我們得知是66，分頻值我們?cè)O(shè)置的是65，分頻系數(shù)是1/2也就是除于2

所以公式：66/(65+1)/2 =0.5

在將0.5轉(zhuǎn)化為HZ的單位：0.5*1000=500KHZ，這里還有一個(gè)公式，就是算HZ轉(zhuǎn)秒，赫茲的倒數(shù)就是它的秒這個(gè)公式：(1/500)=0.002ms,1毫秒=1000微秒,0.002毫秒等于2微秒，通過這樣的算法公式就可以得知我們現(xiàn)在的頻率是每2微秒工作一次

我們想讓它每0.5毫秒工作一次，所以TCNTB的值=500毫秒/當(dāng)前微秒頻率2

500/2=250,所以TCNTB的值應(yīng)該為250，當(dāng)然你也可以這也算，2微秒一次，1毫秒=1000微秒，0.5毫秒就等于500微秒，500微秒/2微秒=250，就得出經(jīng)過250次2微秒后就到達(dá)了500微秒，而500微秒就等于0.5毫秒

5. I2C的通訊過程

通訊步驟：

開始信號(hào)：SCL為高電平而SDA由高到低的跳變，表示產(chǎn)生一個(gè)起始條件

結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平而SDA由低到高的跳變，表示產(chǎn)生一個(gè) 停止條件

應(yīng)答信號(hào)：當(dāng)發(fā)送完信號(hào)之后則拉低

總線在空閑狀態(tài)時(shí)，SCL和SDA都保持著高電平

這三種信號(hào)里，起始信號(hào)是必須需要的，而結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)都可以視情況不要。

在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨(dú)占，其他I2C器件無法訪問總線；而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備 將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)

傳輸過程：

每次傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)/地址以9位bit進(jìn)行傳輸，前8位是數(shù)據(jù)，最后一位是應(yīng)答位

傳輸時(shí)高位在前，低位在后

主設(shè)備在SCL和SDA都處于高電平狀態(tài)時(shí)，先將SDA拉到低電平，然后在將SCL也拉入低電平，這樣SDA產(chǎn)生了一個(gè)下降沿的信號(hào)，從設(shè)備檢測(cè)到之后便知道主設(shè)備發(fā)來了起始信號(hào)，那么從設(shè)備需要主動(dòng)拉高SDA線告訴主設(shè)備我準(zhǔn)備好了

這個(gè)電平變化不是說一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的變化，比如上一秒是高電平下一秒是低電平這不算變化，時(shí)間點(diǎn)變化是要求在一個(gè)周期里某一時(shí)間段處于高電平，某一時(shí)間段處于低電平，整個(gè)周期里完成這樣一個(gè)動(dòng)作才屬于上升沿或下降沿變化，這個(gè)周期取決于I2C的時(shí)鐘頻率

如下圖的周期變化，假設(shè)一個(gè)周期是1.2毫秒，那么這個(gè)毫秒里的周期變化如下

T1到T2之間處于高電平，T3到T4之間處于低電平，然后整個(gè)周期就變成了下降沿的信號(hào)

然后主設(shè)備會(huì)在SCL線上產(chǎn)生時(shí)鐘周期的脈沖信號(hào)，即發(fā)高電平，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)都會(huì)從SDA線上發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)出去，然后從設(shè)備檢測(cè)到脈沖信號(hào)了就從SDA線上去讀一個(gè)BIT位，在產(chǎn)生脈沖信號(hào)之后，SCL是處于低電平的，那么此時(shí)SDA電平會(huì)根據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（為了防止數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，要求在SCl處于低電平時(shí)SDA才允許改變電平值，SCL發(fā)送一次脈沖信號(hào)后會(huì)要求拉低電平）

首先最開始發(fā)送的是地址信息，每次有效位為8位，當(dāng)主設(shè)備發(fā)送8位之后就不會(huì)在發(fā)了，且發(fā)送完八位以后會(huì)主動(dòng)讓SDA線一直處于高電平（因?yàn)镾DA線發(fā)送BIT可能是高或低電平，可能第8位是低電平所以需要拉高回來），然后就會(huì)一直等待從設(shè)備拉低，當(dāng)從設(shè)備拉低以后那么主設(shè)備監(jiān)聽到之后就會(huì)認(rèn)為此次通訊是正確的

然后接下來就可以發(fā)送數(shù)據(jù)位了，與地址信息一樣，SCL產(chǎn)生脈沖之后SDA進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，從設(shè)備進(jìn)行讀取，當(dāng)發(fā)送完成之后就需要產(chǎn)生停止位，這個(gè)是由主設(shè)備完成的，會(huì)拉高SCL電平使其一直處于高電平，然后將SDA進(jìn)行周期變化：上升沿，即在一定周期里拉低電平然后在拉高電平，然后此時(shí)SCL與SDA都處于高電平模式，則代表總線處于空閑狀態(tài)可以被其它設(shè)備占用

從設(shè)備是需要實(shí)時(shí)監(jiān)聽SCL的電平變化，來完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作

以下是發(fā)送170（十六進(jìn)制：0xAA; 二進(jìn)制：1010 1010）到從設(shè)備的傳輸時(shí)序：

總結(jié)理解起始與結(jié)束信號(hào)就是：

起始條件：SCL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換。

停止條件：SCL線是高電平時(shí)，SDA線從低電平向高電平切換。

這其中還有重復(fù)起始條件，即不用停止符號(hào)，只需要發(fā)送一個(gè)重復(fù)起始條件后續(xù)可以發(fā)送任意字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)全部發(fā)送完成之后在發(fā)送停止條件

即在不釋放總線的情況下給從設(shè)備發(fā)送Sr信號(hào)，然后重復(fù)上一次的傳輸，這樣做的好處在于不會(huì)出現(xiàn)在傳輸期間被別的設(shè)備搶占的情況，因?yàn)槊看蝹鬏斀Y(jié)束都會(huì)有一定的空閑時(shí)間，如果這個(gè)時(shí)間周期被別的設(shè)備占用會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)不完整的情況，因?yàn)槊看蝹鬏斨荒軅鬏斠粋€(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)位，每次通訊都要產(chǎn)生起始和結(jié)束信號(hào)，所以會(huì)有一定的空閑時(shí)間

具體的通訊步驟可以參考I2C官方文檔

6. I2C接口工作模式

I2C接口有四種工作模式

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?

數(shù)據(jù)寄存器一般是DR寄存器（數(shù)據(jù)緩存寄存器），這塊寄存器是等待內(nèi)部程序?qū)⑵渥x走的

其中因?yàn)槭歉呶坏降匚话l(fā)送的，所以內(nèi)部會(huì)有一個(gè)位移寄存器的過程才能寫入到DR寄存器

7. 硬件拉高拉低的過程

I2C的SDA與SCL都外接了上拉電阻，如果一直處于拉高狀態(tài)那么只能輸出高電平無法輸出低電平，那么數(shù)字邏輯信號(hào)時(shí)鐘是1，這樣結(jié)果是不對(duì)的，所以需要有一個(gè)拉低的過程才能保證傳輸?shù)腷it位是有效且正確的。

I2C內(nèi)部有一個(gè)邏輯控制器，負(fù)責(zé)控制這一塊，當(dāng)需要上拉時(shí)候會(huì)控制FET（場(chǎng)效應(yīng)管，主要作用是控制半導(dǎo)體器件，控制電阻值），來拉低上拉電阻值使其電流固定在低電平值范圍，產(chǎn)生低電平信號(hào)

拉低：

拉高：

S3C2400的物理層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（僅供參考）：

8. 一對(duì)多

I2C給每個(gè)從設(shè)備設(shè)置地址，然后通過發(fā)送地址位來選擇要操控哪個(gè)從設(shè)備。

在每個(gè)從設(shè)備連接后需要設(shè)置自己的地址，便于I2C主設(shè)備查找。

每個(gè)設(shè)備連接到I2C的SDA與SCL上，然后I2C主設(shè)備對(duì)這條線發(fā)送地址當(dāng)從設(shè)備收到以后來確定是否是尋找自己

下圖的連接就是將所有設(shè)備的SCL與SDA連接到I2C的主設(shè)備上，也就是說將I2C主設(shè)備的SDA與SCL引出來，然后從設(shè)備接到這根線上去，然后發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)接在這跟線上的所有設(shè)備都能監(jiān)聽到電平變化，就像socket的廣播模式一樣。

主設(shè)備是不需要設(shè)置自身地址的，因?yàn)椴粫?huì)有人找它，當(dāng)然如果要與其它外設(shè)進(jìn)行合作開發(fā)，可以設(shè)置一個(gè)自己的地址，并編寫監(jiān)聽代碼讓自己做主或從

9. 開發(fā)流程

主機(jī)接收模式：

主機(jī)發(fā)送模式：

審核編輯：黃飛