I2C总线架构 之 I2C协议

简介

I2C 是一种串行通信总线,使用一主多从架构,最初设计目的为了让主板、嵌入式系统或手机用来连接低速周边设备。多用于小数据量的场合,有传输距离短,任意时刻只能有一个主机等特性。本篇主要介绍I2C协议格式。

本文关键字符意义

字符 字长 意义
S 1bit 起始位
P 1bit 停止位
Rd/Wr 1bit 读/写标志位
A, NA 1bit 从机应答位和主机应答位
Addr 7bits i2c地址位,通常有7位,也可拓展为10位
Comm 8bits i2c指令
Data 8bits 通讯数据
Count 8bits 一帧数据的长度
[..] i2c设备器件发送的数据

I2C硬件连接结构图

i2c硬件连接结构.png

I2C硬件连接主要包括I2C主机、I2C从机、I2C总线及上拉电阻。

I2C总线:
负责通讯的两条电路线SCL、SDA,电路上都有上拉电阻,即空闲状态下,两条线都保持高电平。通信时,主机按照I2C时序控制SCL和SDA上的高低电平从而产生包含特定数据的I2C时序。

I2C主机:
一条总线中一般只会有一个I2C主机,一般为可编程芯片。通过软件编程控制主机连接在I2C总线上的GPIO电平,生成符合I2C总线协议的时序。

I2C从机:
具备I2C接口的设备器件(例如AT24C02)。硬件连接好后,等待I2C总线访问。

I2C时序

i2c时序.png

空闲状态:
由i2c硬件连接结构图可知,当I2C总线没有数据传输时,SCL和SDA都保持高电平。

起始信号:
总线SCL保持高电平,SDA从高电平将为低电平,即I2C通讯开始。

停止信号:
总线SCL保持高电平,SDA从低电平升为高电平,即本轮I2C通讯结束。

I2C约定:

  1. 总线上的一帧数据必须由起始信号开始,停止信号结束。
  2. 主设备在发送起始信号后,I2C总线就会处于忙状态,无法再被其他I2C器件访问。停止信号产生后,SCL和SDA都会被重新拉高,主从设备释放对I2C总线的控制。
  3. I2C通讯期间,必须在SCL处于低电平状态下,SDA才允许电平变化。
  4. I2C总线数据是按字节传输的,当总线一端(主机或从机)发出一字节数据后,会拉高SDA并释放对SDA的控制,等待另一端拉低SDA(应答位),当读取到SDA出现低电平,表示应答位出现,此字节传输成功,通讯继续(例外情况:当主设备不需要从机应答时,则不释放对SDA的控制,自行拉高SDA,表示此字节非应答)。
  5. I2C总线上所有的I2C从机设备对应一个唯一的地址。起始信号后主机发出的第一个字节前7位表示从机设备地址;最后一位表示读写标志位(也决定下一字节传输方向):
    1:向从设备读取数据;
    0:向从设备写入数据

I2C总线一帧数据传输

以上基本了解之后,最主要的就是I2C总线上一帧数据的传输格式了。主要有以下三种情况(绿色部分表示I2C设备器件发送的数据):

普通的数据发送交互(i2c主机传输):

i2c写操作

普通的数据接收交互(i2c主机接收):

i2c读操作

发送接收组合交互(对应i2c传输):

i2c读写混合操作

在本次交互中,i2c可以在一帧数据中实现读写组合功能,即先写再读或者先读再写功能。在前一个读/写操作完毕后,传输起始位信号代替停止位信号,使交互继续执行。

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