I2C總線接口邏輯分析

1 前言

I2C總線是具備多CPU系統(tǒng)所需的包括仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能串行總線。它以兩根連線實現(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳送，是各種總線中使用信號線根數(shù)最少，并具有自動尋址、多主機(jī)時鐘同步和仲裁等功能的總線。

目前世界上采用的I2C總線有兩種規(guī)范，它們分別是由荷蘭飛利浦公司和日本索尼公司提出的?，F(xiàn)在廣泛采用的是飛利浦公司的I2C總線技術(shù)規(guī)范，它已成為被電子行業(yè)認(rèn)可的總線標(biāo)準(zhǔn)。

由于I2C總線具有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范及眾多帶I2C接口的外圍器件，使得使用I2C總線設(shè)計計算機(jī)系統(tǒng)變得十分方便、靈活，體積也小，因此在各類實際應(yīng)用中得到廣泛使用。

2 I2C總線的基本原理

2.1 I2C總線基本結(jié)構(gòu)

I2C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。I2C總線只有兩根信號線，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有進(jìn)入I2C總線系統(tǒng)中的器件都帶有I2C總線接口，符合I2C總線電氣規(guī)范的特性；而且采用純軟件尋址方法，無需器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能器件掛靠或摘離總線，還可對其工作狀況進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)即簡單又靈活的擴(kuò)展與控制。各器件供電可不同，但需共地。另外，SDA、SCL需分別接上拉電阻。

SDA、SCL都是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。當(dāng)總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出端電路必須是集電極開路輸出或開漏輸出，以具有線“與”功能。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit／s，快速模式下可達(dá)400kbit／s，高速模式下則可達(dá)3.4Mbit／s。

I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳送

I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時必須遵循規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送格式，如圖2所示為一次完整的數(shù)據(jù)傳送格式。啟動信號表明一次傳送的開始，其后為尋址字節(jié)，該尋址字節(jié)由高7位地址和最低1位方向位組成：方向位為“0”表明寫操作，“1”表明讀操作；在尋址字節(jié)后是由方向位指定讀、寫操作的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位；在數(shù)據(jù)傳送完成后為停止信號。在“啟動”與“停止”之間傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從理論上來說沒有限制，但每個字節(jié)必須為8位，而且每個傳送的字節(jié)后面必須跟一個應(yīng)答位。

當(dāng)SCL為高電平時，SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑x為啟動信號；當(dāng)SCL為低電平時，SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，定義為停止信號。

在SCL為高電平時，SDA上數(shù)據(jù)需保持穩(wěn)定方被認(rèn)為有效；只有在SCL為低電平時，才允許SDA電平狀態(tài)變化。

2.3時鐘信號的同步

在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。當(dāng)所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個同步時鐘?？梢?，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。

2.4 總線競爭的仲裁

總線上可能掛接有多個器件，有時會發(fā)生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發(fā)生在SDA線上的總線競爭進(jìn)行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當(dāng)多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發(fā)送高電平，而另一個主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關(guān)閉其輸出級?？偩€競爭的仲裁是在兩個層次上進(jìn)行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進(jìn)行仲裁，因此不會造成信息的丟失。