I2C总线介绍 I2C读写时序介绍

Baekhyn0506 2023-10-01 3080

接口/总线/驱动

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大家好，这里是程序员杰克。一名平平无奇的嵌入式软件工程师。

作为嵌入式开发人员，无论是硬件还是软件工程师，或多或少都会接触过I2C接口的外设。诸如常用的存储器EEPROM等皆是I2C接口进行通信。

本系列推文主要是对I2C总线进行总结和分享，本篇推文主要是对I2C总线及其通讯时序进行介绍和分享。后续会分别出推文分享MCU实现I2C接口以及在FPGA实现I2C逻辑时序。

下面正式进入本章推送的内容。

01 I2C总线介绍

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的集成IC器件之间双向通信。其特点如下：

I2C总线上的每个设备都可以作为主机或从机，当多个主机需要使用总线时，通过仲裁方式决定特定主机的优先占用.

每个设备都有唯一地址，总线上通过地址识别来确定通信的主从双方.

连接到相同总线的设备数量受到总线的最大电容400pF限制.

总线物理连接

I2C作为总线，其总线上会挂载很多的设备，下图为一个典型的总线拓扑：

FPGA

I2C总线的物理连接上比较简单，由 SDA(串行数据线) 、 SCL(串行时钟线) 、上拉电阻组成。单一设备硬件电路如下图所示(EEPROM-24C02为例)：

FPGA

特别说明：

多个器件连接在一条总线上时，SDA、SCL上各有一个上拉电阻便可.

通信模式

I2C总线支持三种模式：标准模式、快速模式、高速模式，其对应的速率如下表所示：

I2C协议整体时序

对于一个完整的I2C协议而言，其包括起始位、主从数据交互以及停止位。整体时序、组成如下所示：

FPGA

组成	描述
空闲状态	总线空闲时，SDA、SCL皆为高电平
起始位	SCL为高电平时，SDA出现下降沿
主从数据交互(数据+应答)	数据：1字节的控制帧/数据帧
应答：数据传输完成后的下一个时钟沿，SDA-0表示应答，SDA=1表示非应答.
停止位	SCL为高电平时，SDA出现上升沿

02 I2C读写时序介绍

I2C总线上的设备主动发起通信时作为主机，被动接收时作为从机。因此对于I2C读写时序而言，分为主机、从机读写时序。本篇主要是描述主机的读写时序操作，从机的时序不在此系列推文分享。

I2C写时序(主机)

对于I2C主机在SCL时钟驱动下的基本写时序组成如下所示：

FPGA

写时序组成	描述
起始位	SCL为高电平时，SDA出现下降沿. 表示一次总线通信的开始. 由主机发起.
控制帧(8bit)(主机->从机)	由从机地址(SLAVE_ADDRESS)和操作位(R/W)组成.R/W：控制帧[0]为操作位，0-表示写，1-表示读；控制帧[7:1]为从机地址，具体使用的位数由器件决定；
应答位(从机->主机)	从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ACK信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)( 主机->从机 )	主机写到从机的1字节数据(8bit).
应答/非应答( 从机->主机 )	从机接收到对应的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ACK/非应答NACK信号.
停止位	SCL为高电平时，SDA出现上升沿. 表示一次总线通信的结束. 由主机发起.

I2C读时序(主机)

对于I2C主机在SCL时钟驱动下的基本读时序组成如下所示：

FPGA

读时序组成	描述
起始位	SCL为高电平时，SDA出现下降沿. 表示一次总线通信的开始. 由主机发起.
控制帧(8bit)(主机->从机)	由从机地址(SLAVE_ADDRESS)和操作位(R/W)组成.R/W：控制帧[0]为操作位，0-表示写，1-表示读；控制帧[7:1]为从机地址，具体使用的位数由器件决定；
应答位(从机->主机)	从机接收到对应的控制帧后，匹配到器件地址后，会返回一个应答ACK信号；主机只有接收到应答后，才会发送数据；
数据帧(8bit)(从机->主机)	从机返回给主机的1字节数据(8bit).
应答/非应答(主机->从机)	主机接收到从机返回的数据帧后，会根据具体器件，选择返回一个应答ACK/非应答NACK信号给从机.
停止位	SCL为高电平时，SDA出现上升沿. 表示一次总线通信的结束. 由主机发起.

特别说明：

I2C主机的读写时序的起始位、控制帧、控制帧应答以及停止位是一致的，差异主要体现在是数据帧、数据帧的应答的主从方向上。

差异点	写时序	读时序
数据帧(8bit)	主机写入到从机(主->从)	从机返回给主机(从->主)
应答/非应答	从机做出应答/非应答(从->主)	主机做出应答/非应答(主->从)

03 文章总结

I2C总线以其外围电路简单、占用PCB面积小、总线可挂载多节点设备等特点而被广泛应用，因此，对于学习I2C总线的电路结构、时序还是很有必要的。

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