UART、SPI、I2C通信協(xié)議入門教程

I2C通信協(xié)議基礎 ?

3.1???通信簡介 ?

I2C（Inter-Integrated Circuit），中文應該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構，是由飛利浦公司在1980年代初設計的，方便了主板、嵌入式系統(tǒng)或手機與周邊設備組件之間的通訊。由于其簡單性，它被廣泛用于微控制器與傳感器陣列，顯示器，IoT設備，EEPROM等之間的通信。?結合了SPI和UART的最佳功能。使用?，您可以將多個從機連接到單個主機（類似?SPI），另外，您可以讓多個主機控制單個或多個從機。當您希望多個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或將文本顯示到單個?LCD?時，這個特性就非常有用了。與UART?通信一樣，?僅使用兩根電線在設備之間傳輸數(shù)據(jù)：

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SDA (Serial Data) –?這條線為主機和從機提供數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。
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SCL (Serial Clock) –?這條線為時鐘信號線。

?與?SPI?一樣，I2C?是同步的，因此位的輸出通過主機和從機之間共享的時鐘信號同步到位的采樣。時鐘信號總是由主機控制。 ?

3.2 的工作原理(HOW WORKS)

使用 ，數(shù)據(jù)在消息中傳輸。消息被分解成數(shù)據(jù)幀。每條消息都有一個地址幀，其中包含從機的二進制地址，以及一個或多個包含正在傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀。該消息還包括每個數(shù)據(jù)幀之間的啟動和停止條件、讀/寫位以及ACK/NACK位：

啟動條件(StartCondition)：SDA 線在SCL線從高到低切換之前從高電位切換到低電位。

停止條件(StopCondition)：SDA 線在SCL線從低到高切換之后從低電位切換到高電位。

地址幀(AddressFrame)：每個從機都有唯一的7位或10位數(shù)列，主機可以通過該序列識別從機，主機如果需要向從機發(fā)送/接收數(shù)據(jù)，首先要發(fā)送對應從機的地址，然后會匹配總線上掛載的從機的地址。

讀/寫位(Read/Write Bit)：指定主機是向從機發(fā)送數(shù)據(jù)(低電位)還是請求從機發(fā)送數(shù)據(jù)(高電位)的1個位。

ACK/NACK位(ACK/NACK Bit)：在一條消息中，每一幀后都跟隨1個確認應答(ACK)/非確認應答(NACK)位。如果一個地址幀或數(shù)據(jù)幀是被成功接收，一個確認應答位(ACK bit)將從接收設備返回給發(fā)送設備。

3.3 尋址(ADDRESSING)

沒有像SPI這樣的從機片選接口線，所以它需要另一種方式讓從機知道數(shù)據(jù)被發(fā)送到它，而不是另一個從機。它需要通過尋址來實現(xiàn)。地址幀始終是新消息中開始位后的第一幀。

主機將它想要與之溝通的從機的地址發(fā)送給與之相連的每一個從機。然后，每個從機將從主機發(fā)送的地址與自己的地址進行比較。如果地址匹配，它會向主發(fā)送低電壓ACK位。如果地址不匹配，從機什么都不做，SDA線仍然很高。

3.4 讀/寫位(READ/WRITE BIT)

在地址幀的末尾包含一個單獨的位，用于通知從機，主機是否想向它寫數(shù)據(jù)還是想從它接收數(shù)據(jù)。如果主機要將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機，讀/寫位是低電位;如果主機請求來自從機的數(shù)據(jù)，則該位為高電位1。

3.5 數(shù)據(jù)幀(THE DATA FRAME)

在主機檢測到從機發(fā)出的ACK位后，第一個數(shù)據(jù)幀已準備好發(fā)送。

數(shù)據(jù)幀始終為8位長，并且首先發(fā)送最重要的位。每個數(shù)據(jù)幀后面都立即有ACK/NACK 位，以驗證幀是否已成功接收。在發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀之前，主機或從機(取決于誰發(fā)送數(shù)據(jù))必須接收ACK位。

在發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后，主機可以向從機發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是在SCL線路上從低到高過渡后，SDA線的電壓從低到高過渡，SCL線保持高位。

3.6 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E(STEPS OF I2C DATATRANSMISSION)

1. 主機發(fā)送啟動條件給每一個連接的從機，在SCL線從高到低切換之前，主機將SDA線從高切換到低電平即可觸發(fā)啟動條件，即在SCL高電平時候給SDA一個下降沿，如下圖所示，注意箭頭的時序方向：

2. 主機發(fā)送它想與之溝通的7位或10位從機地址，以及讀/寫位：

3. 每個從機將從主機發(fā)送的地址與自己的地址進行比較。如果地址匹配，則從機通過將SDA 線拉低1個位來返回ACK位。如果主機的地址與從機自己的地址不匹配，則從機會將SDA線留在高電位(通過上拉電阻)。地址匹配的從機返回ACK位如下圖所示：

4.主機發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀：

5. 傳輸每個數(shù)據(jù)幀后，接收設備會將另一個ACK 位返回給發(fā)件人，以確認成功接收幀：

6. 為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主機發(fā)送一個停止條件給從機，通過在SDA拉高之前先拉高SCL，即在SCL高電平時候給SDA一個上升沿，如下圖所示，注意箭頭表示的傳輸順序：

3.7 單主機與多從機(SINGLE MASTER WITH MULTIPLE SLAVES)

由于 使用尋址，因此可以實現(xiàn)單個主機控多個從機。使用7位地址理論上可提供 128(2^7)個唯一地址。使用10位地址并不常見，但理論上可提供1024(2^10)個唯一地址。要將多個從機連接到單個主機，請像下面這樣將它們連接起來，并用4.7K Ohm上拉式電阻器將SDA和SCL線連接到Vcc：

3.8 多主機與多從機(MULTIPLE MASTERS WITH MULTIPLE SLAVES)

多個主機可以連接到一個單一的從機或多個從機。在多主機系統(tǒng)總，當兩個主機嘗試同時通過SDA線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，問題就出現(xiàn)了。為了解決這個問題，每個主機在傳輸消息之前需要檢測SDA線是低電平還是高電平。如果SDA線為低電平，則意味著另一個主機正控制著總線，該主機應等待發(fā)送消息。如果SDA線被拉高，則傳輸消息是安全的。

要將多個主機連接到多個從機，請按下圖連接，并使用4.7K Ohm上拉式電阻器將SDA和 SCL線連接到Vcc：

3.9 的優(yōu)缺點(ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF )

優(yōu)勢

僅使用兩根電線

支持多個主和多個奴隸

ACK/NACK 位確認每個幀都成功傳輸

硬件不如UART復雜

眾所周知和廣泛使用的協(xié)議

缺點

數(shù)據(jù)傳輸速率低于SPI

數(shù)據(jù)框架的大小限制為8位

實現(xiàn)所需的硬件比SPI更復雜

3.10 總結

總線由9bit的塊構成。開始條件：當SCL是高電平時候SDA從高到底跳變的下降沿，作為開始條件。在總線上的所有從機都要開始注意了：

地址位為緊跟開始條件的7bit數(shù)據(jù)，主機想要與該地址從機溝通：

讀寫位為緊跟7bit地址后的第8位作為讀寫選擇位：該位用于表示主機是想讀從機的數(shù)據(jù)還是想往從機里寫數(shù)據(jù)：為1表示讀;為0表示寫。

主機和從機之間的同步位：0表示ACK;1表示NACK。0：我在或數(shù)據(jù)已接收。1：沒有我或數(shù)據(jù)未接收。

數(shù)據(jù)字節(jié)：在地址字節(jié)后的8位是來自主機或從機的數(shù)據(jù)字節(jié)。至于來自誰，要看讀寫位。當寫周期，主機發(fā)送數(shù)據(jù);當讀周期，從機發(fā)送數(shù)據(jù)：

停止條件：當SCL是高電平時，數(shù)據(jù)線SDA從低電平跳變到高電平產(chǎn)生的上升沿作為停止條件。主機通知從機本次溝通結束。

完整的 總線協(xié)議時序如下圖所示：

3.11 備注

本筆記圖中帶箭頭的表示時序傳遞的優(yōu)先順序，箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚧蛳劝l(fā)生的時序。1.10小結沒有標注箭頭，以左側作為先發(fā)生的時序，請勿與前面的圖弄混。

審核編輯：湯梓紅