數字接口——I2C 總線

數字接口——I2C 總線

了解內部集成電路總線（一種基本的低成本互聯方案）的連接和格式。

內置集成電路 (I2C) 總線是一種單端、多主控雙線總線，適合在半雙工模式下進行高效的內部集成電路通信。該總線使用漏極開路技術，因此通過電阻器連接到 VDD 時就需要兩根信號線，分別為串行數據 (SDA) 線和串行時鐘線 (SCL)，如圖 1 所示。

圖 1 I2C 總線

將線路拉低至接地認為是邏輯 0，而使線路浮置則為邏輯 1。通常將這用作通道接入方式。當 SCL 為低電平時，必將發生邏輯狀態變化；當 SSL 為高電平時，若發生變化則認為是 START 和 STOP 條件。盡管系統允許提供更高或更低的電壓，但典型的電源電壓為 3.3V 和 5V。

I2C 通信采用 7 位地址空間（具有 16 個預留地址），因此在同一總線上，理論上最多可以和 112 個節點通信。但實際上，節點數會受到總線上規定的總體總電容 (400 pF) 限制，從而將通信距離限制為幾米。規定的信號傳輸速率為 100 kbit/s（標準模式）、400 kbit/s（快速模式）、1 Mbit/s（快速模式Plus，FM+）和 3.4 Mbit/s（高速模式）。

總線上的節點有主從之分。主節點負責發布時鐘和從節點地址，并且還開始和結束數據處理。從節點負責接收時鐘和地址，并響應來自主節點的請求。圖 2 顯示了主從節點之間典型的數據傳送示例。

圖 2 完整的數據傳輸時序圖

主節點通過創建一個 START 條件發布一個數據處理，緊接著發布希望與其進行通信的從節點的 7 位地址。隨后發送一個信號讀寫位，表示主節點是否愿意寫入到從節點 (0) 或者自從節點讀取 (1)。接下來，主節點將釋放 SDA 線，以允許從節點對數據接收作出應答。

在第 9 個 SCL 時鐘脈沖的整個高電平期間，從節點通過將 SDA 拉至低電平以回應一個應答位 (ACK)，之后主節點一直處于傳輸或接收模式（根據發送的讀寫位而定），而從節點則一直處于對應的互補模式（分別為接收或傳輸）。

發送地址和 8 位數據字節時首先發送最高位 (MSB)。當 SCL 為高電平時，通過 SDA 由高電平向低電平跳變來指示 START 位。而當 SCL 為高電平時，則通過 SDA 由低電平向高電平跳變來產生 STOP 條件。

當主節點寫入到從節點時，它會在從節點發送 ACK 位時重復發送一個字節。在這種情況下，主節點將處于主傳輸模式，而從節點則處于從接收模式。當主節點自從節點讀取時，它會重復接收自從節點的字節，同時對每個字節的接收作出應答 (ACK)，但最后一個字節除外，請參見圖 3。這種情況下，主節點將處于主接收模式，而從節點則處于從傳輸模式。

主節點將以 STOP 位結束傳輸，或者可能為進行下一步傳輸而發送另一個 START 位以保持總線控制。

圖 3 數據傳輸期間傳輸/接收模式的變化情況

當寫入到從節點時，主節點將主要以傳輸模式運行，并且只有自從節點接收應答時才會更改為接收模式。

當自從節點讀取時，主節點將以傳輸模式啟動，然后在發送 READ 請求（讀寫位=1）到從節點后會更改為接收模式。從節點將一直處于對應的互補模式，直至結束該任務。

請注意，主節點將通過在最后接收的字節后面跟隨一個無應答 (NACK) 來結束讀取序列。此步驟會復位從狀態機，并允許主節點發送 STOP 命令。