I2C總線協(xié)議分析

發(fā)布人：嵌入式Linux 時間：2023-01-13 來源：工程師

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I2C總線概念

I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的設(shè)備之間通信。I2C的兩根線SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時鐘線）都是雙向I/O線，接口電路為開漏輸出，需通過上拉電阻接電源VCC，當總線空閑時，兩根線都是高電平。

常見的硬件結(jié)構(gòu)圖（一個適配器，兩根線，若干設(shè)備而已）

I2C總線通信時序

使用I2C通信時，必須指定主從設(shè)備，一般包含有I2C控制器的處理器被配置成主設(shè)備，掛接在i2c總線上的外設(shè)作為從設(shè)備。通信開始都是由主設(shè)備發(fā)起的，在i2c總線上的每個設(shè)備都有一個7bit位的地址，稱為i2c設(shè)備地址。

主設(shè)備如何發(fā)起開始和停止通信信號？

在SCL線為高電平時，將SDA線由高拉低，即發(fā)出一個start開始信號；當SCL為高電平時，將SDA由低拉高，即發(fā)送一個stop停止信號；那么這些操作都是由主設(shè)備的I2C控制器完成的。

I2C總線上有很多的設(shè)備，如何保證一對一的通信？

在I2C總線上的每個設(shè)備都有一個7bit位的地址，在I2C總線處于空閑狀態(tài)時，如果有主設(shè)備想發(fā)起通信，那么將由它先發(fā)出一個start信號占有總線，緊接著發(fā)送這個主設(shè)備想要進行通信的從設(shè)備的7bit位的地址，這個地址在I2C總線上處于廣播狀態(tài)，即總線上的所有設(shè)備都能看到這個地址，如果某一個從設(shè)備發(fā)現(xiàn)總線上傳輸?shù)牡刂泛妥约旱脑O(shè)備地址一樣，那么就發(fā)送一個應(yīng)答信號，這時主從設(shè)備間的通信就建立了，這個時候I2C總線將處于busy狀態(tài)，其他的設(shè)備無法再使用總線，從而在總線上建立了一個一對一的通信。當通信結(jié)束時，由主設(shè)備發(fā)送一個stop信號，釋放總線，其他的設(shè)備就可以再次占用總線通信了。

I2C上的主從設(shè)備如何通信？

在I2C總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是8bit位為單位的，所以當主機要往從機寫數(shù)據(jù)時時序如下：

發(fā)送start信號
發(fā)送7位地址+1個讀寫位0（0表示寫，1表示讀）
從機收到地址后，發(fā)送ACK應(yīng)答信號
主機收到應(yīng)答信號后發(fā)送要寫的8位數(shù)據(jù)
若從機收到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送ACK應(yīng)答信號
如果主機要繼續(xù)寫，那么回到步驟4，如果寫完了那么發(fā)送stop信號，終止通信

當主機要從從機讀取數(shù)據(jù)時時序如下：

發(fā)送start信號
發(fā)送7位地址+1個讀寫位1（0表示寫，1表示讀）
從機收到地址后，發(fā)送ACK應(yīng)答信號
主機收到應(yīng)答信號后等待接收從機的數(shù)據(jù)
從機發(fā)送主機要讀取的數(shù)據(jù)
若主機收到從機發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送ACK應(yīng)答信號
如果主機要繼續(xù)讀，那么回到步驟4，如果讀完了那么發(fā)送stop信號，終止通信

那么在具體的使用場景中是什么樣子呢？從機設(shè)備內(nèi)部往往有很多寄存器，如何讀寫這些寄存器呢？以RPR0521這個sensor作為從設(shè)備的實例進行分析：

主機寫RPR0521中某個寄存器（寄存器的地址是8位的，寄存器中數(shù)據(jù)也是8位的）

主機發(fā)送完7位的從機地址和寫位
主機發(fā)送8位的要寫的從機的內(nèi)部寄存器地址
從機收到后發(fā)送ACK
主機收到ACK后，然后發(fā)送要往這個寄存器寫的數(shù)據(jù)
如果主機不繼續(xù)寫數(shù)據(jù)就直接發(fā)送stop，如果還要往下一個寄存器繼續(xù)寫（寄存器地址必須連續(xù)）那么回到步驟4發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，直到寫完發(fā)送stop