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名称:
i2c总线协议的工作原理详解
时间:
2018-03-23 11:22:55
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介绍:

1.1 I2C总线知识

1.1.1  I2C总线物理拓扑结构
 
    I2C 总线在物理连接上非常简单,分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制,来 产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时,这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高,保持着高电平。

1.1.2  I2C总线特征
    I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备,而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知),主从设备之间就通过这 个地址来确定与哪个器件进行通信,在通常的应用中,我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备,把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。
    I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制,如果所挂接的是相同型号的器件,则还受器件地址位的限制。
    I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整,同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
    I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

1.1.3  I2C总线协议
    I2C协议规定,总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件,以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态 时,SCL和SDA都保持着高电平,当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变,表示产生一个起始条件;当SCL为高而SDA由低到高的跳变,表示产生一个 停止条件。在起始条件产生后,总线处于忙状态,由本次数据传输的主从设备独占,其他I2C器件无法访问总线;而在停止条件产生后,本次数据传输的主从设备 将释放总线,总线再次处于空闲状态。如图所示:

    在了解起始条件和停止条件后,我们再来看看在这个过程中数据的传输是如何进行的。前面我们已经提到过,数据传输以字节为单位。主设备在SCL线上产生每个 时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位,当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后,紧接着从设备将拉低SDA线,回传给主设备一个应答位, 此时才认为一个字节真正的被传输完成。当然,并不是所有的字节传输都必须有一个应答位,比如:当从设备不能再接收主设备发送的数据时,从设备将回传一个否 定应答位。数据传输的过程如图所示:
 
    在前面我们还提到过,I2C总线上的每一个设备都对应一个唯一的地址,主从设备之间的数据传输是建立在地址的基础上,也就是说,主设备在传输有效数据之前 要先指定从设备的地址,地址指定的过程和上面数据传输的过程一样,只不过大多数从设备的地址是7位的,然后协议规定再给地址添加一个最低位用来表示接下来 数据传输的方向,0表示主设备向从设备写数据,1表示主设备向从设备读数据。如图所示:
 
1.1.4  I2C总线操作
    对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下三种操作情况:
    第一,主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下:
    


    第二,主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下:
    

    第三,主设备往从设备中写数据,然后重启起始条件,紧接着从从设备中读取数据;或者是主设备从从设备中读数据,然后重启起始条件,紧接着主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下:

    第三种操作在单个主设备系统中,重复的开启起始条件机制要比用STOP终止传输后又再次开启总线更有效率。

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