作者：Mary Grace Legaspi and Eric Peňa

I2C或內(nèi)部集成電路是建立設(shè)備之間通信的常用串行通信協(xié)議，特別是對于兩個或多個不同的電路。I2C引物是最常用的 I2C. 本文將提供 I 的基本功能和標(biāo)準(zhǔn)2C 入門，主要用于解決通信實現(xiàn)過程中的正確用法。從我的基本原理2C，我們將介紹其變體子集系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 和電源管理總線 （PMBus） 的可用性以及它們的差異。這三者中的每一個都有專門的功能，旨在滿足不同的客戶需求。

為什么它很重要？

I2C語言為設(shè)計人員在系統(tǒng)中的眾多節(jié)點之間建立簡單、雙向、靈活的通信提供了好處。I2C語言通過僅使用兩條雙向線來發(fā)送和接收信息來降低復(fù)雜性。它還允許設(shè)計人員配置多個主節(jié)點系統(tǒng)IC之間的通信。I2C語言還有利于開發(fā)人員管理系統(tǒng)和電源，這使他們在最佳時間線內(nèi)創(chuàng)建高質(zhì)量產(chǎn)品的優(yōu)勢。

“溝通對那些從事溝通的人有用?！?/p>

——約翰·鮑威爾

通信協(xié)議在組織設(shè)備之間的通信方面起著重要作用。它根據(jù)系統(tǒng)要求以不同的方式設(shè)計，這些協(xié)議具有特定的、商定的規(guī)則來實現(xiàn)成功的通信。

你可能用過I2C如果您曾經(jīng)構(gòu)建過帶有 LED 顯示屏、傳感器甚至加速度計模塊的系統(tǒng)，僅舉幾例。I2C支持多個節(jié)點連接到單個主設(shè)備，多個主設(shè)備連接到多個節(jié)點的功能。如果您希望最大限度地讓一個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡或?qū)⑽谋撅@示到單個 LCD，則此功能非常有用。

除了最常用的I2C Primer，我還有兩個額外的變體2C，專注于系統(tǒng)和電源應(yīng)用的用法。這些稱為系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 和電源管理總線 （PMBus）。

根據(jù)定義，內(nèi)部集成電路（I2C）（也稱為 Inter IC）是一種硬件通信協(xié)議，它使用與多主、多節(jié)點和串行通信總線的同步通信。同步通信意味著交換數(shù)據(jù)的兩個（或多個）設(shè)備共享一條公共時鐘線。I2C語言廣泛用于將低速外設(shè) IC 連接到處理器和微控制器。I2C總線由飛利浦設(shè)計，允許駐留在同一電路板上的組件之間輕松通信。

我2C 引物

接口

通過使用串行數(shù)據(jù) （SDA） 線、串行時鐘 （SCL） 線和用于承載所有通信的公共接地，可以最大限度地減少連接。

圖1.集成電路直接相互通信。

每根 I 中有兩根電線2C 設(shè)備：

SDA是主設(shè)備和節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。

SCL 是傳輸時鐘信號的線路。SCL 始終由 I 生成2C 主。該規(guī)范要求時鐘信號的低相位和高相位的最小周期。

I2C總線僅使用兩條雙向線路：每個器件的 SDA 和 SCL，用于簡單的 IC 間通信。

圖2.I2C 上拉電阻連接。

最重要的硬件部件是上拉電阻，由SDA和SCL線路使用。I2C兼容器件通過集電極開路或漏極開路引腳連接到總線，從而將線路拉低。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，I2C總線線路在高電平狀態(tài)下閑置;線條被動拉高。通過切換線路、拉低和釋放高電平來發(fā)生傳輸。位在下降的時鐘邊沿上計時。

漏極開路輸出需要一個上拉電阻（圖2中的Rp）才能正確輸出高電平。上拉電阻連接在輸出引腳和輸出電壓（VDD在圖 2） 中，這是高狀態(tài)所需的。

四千七百歐姆（4700 Ω）是上拉電阻最常用的值，典型值為V抄送和 VDD（5 V）。

作為參考，屏蔽 2 AWG 雙絞線電纜的電容范圍為 100 pF/m 至 240 pF/m。因此，I 的最大總線長度2C 鏈路在 100 kBaud 時約為 1 米，在 10 kBaud 時約為 10 米。非屏蔽電纜通常具有小得多的電容，但只能在其他屏蔽外殼內(nèi)使用。

表1總結(jié)了I2C.

理論上，最大節(jié)點數(shù)為 27或 210用于尋址模式;但是，有 16 個地址是為特殊目的保留的。

I2C是同步的，因此位的輸出通過主節(jié)點和節(jié)點之間共享的時鐘信號與位采樣同步。時鐘信號始終由主設(shè)備控制。

保留 I2C 節(jié)點地址

有 16 個保留 I2C 地址。這些地址對應(yīng)于兩種模式之一：0000 XXX 或 1111 XXX。表 2 顯示 I2C地址保留用于特殊用途。

我該怎么做2C 工作？

I2C 數(shù)據(jù)在消息中傳輸，消息被分解為數(shù)據(jù)幀。讀寫協(xié)議包含具有節(jié)點二進制地址的地址幀和另一個數(shù)據(jù)幀，其中包含正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、開始和停止條件、重復(fù)開始位、讀/寫位以及每個數(shù)據(jù)幀之間的確認(rèn)/不確認(rèn)位。

時序規(guī)格表

I2C時序表也很重要，因為它允許工程師設(shè)計與總線要求兼容的IC。每個數(shù)據(jù)速率都有自己的時序規(guī)范，主節(jié)點和節(jié)點必須遵守該規(guī)范才能正確傳輸數(shù)據(jù)。

表3顯示了時序規(guī)格表上可用的符號和參數(shù)。

圖3.一個I2C消息。

I2C 傳輸子協(xié)議

通過總線傳輸是讀取或?qū)懭氩僮?。讀寫協(xié)議建立在一系列子協(xié)議之上，例如開始和停止條件、重復(fù)起始位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸位和確認(rèn)/不確認(rèn)位。

啟動條件

顧名思義，啟動條件總是發(fā)生在傳輸開始時，并由主設(shè)備啟動。這樣做是為了喚醒總線上的空閑節(jié)點設(shè)備。在 SCL 線路從高電平切換到低電平之前，SDA 線從高電壓電平切換到低電壓電平。參見圖 4。

重復(fù)啟動條件

在不發(fā)出停止條件的情況下，可以在傳輸過程中重復(fù)啟動條件。這是一種特殊情況，稱為重復(fù)啟動，用于改變數(shù)據(jù)傳輸方向、重復(fù)傳輸嘗試、同步多個 IC，甚至控制串行存儲器。參見圖 5。

地址框

地址幀包含 7 位或 10 位序列，具體取決于可用性（請參閱數(shù)據(jù)手冊）。參見圖 6。

I2C沒有像 SPI 那樣的節(jié)點選擇行，因此它需要另一種方式讓節(jié)點知道數(shù)據(jù)正在發(fā)送到它，而不是另一個節(jié)點。它通過尋址來實現(xiàn)這一點。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一幀。

main 將要與之通信的節(jié)點的地址發(fā)送到與其連接的每個節(jié)點。然后，每個節(jié)點將從主節(jié)點發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，它將一個低壓ACK位發(fā)送回主電源。如果地址不匹配，節(jié)點將不執(zhí)行任何操作，并且 SDA 線路保持高電平。

讀/寫位

地址幀末尾包含一個位，用于通知節(jié)點主節(jié)點是要向其寫入數(shù)據(jù)還是從中接收數(shù)據(jù)。如果主設(shè)備要向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則讀/寫位處于低電壓電平。如果主節(jié)點從節(jié)點請求數(shù)據(jù)，則位處于高壓電平。參見圖 7。

ACK/NACK 位

消息中的每個幀后跟一個確認(rèn)/不確認(rèn)位。如果成功接收到地址幀或數(shù)據(jù)幀，則接收設(shè)備將向發(fā)送方返回ACK位。

圖例：對于下圖，白框表示節(jié)點，而藍色框表示主節(jié)點。參見圖 8。

數(shù)據(jù)框

主節(jié)點檢測到來自節(jié)點的ACK位后，第一個數(shù)據(jù)幀就可以發(fā)送了。數(shù)據(jù)幀始終為 8 位長，并以最高有效位優(yōu)先發(fā)送。每個數(shù)據(jù)幀后面緊跟一個ACK/NACK位，以驗證該幀是否已成功接收。在發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀之前，主節(jié)點或節(jié)點（取決于發(fā)送數(shù)據(jù)的人）必須接收 ACK 位。參見圖 9。

停止條件

發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀后，主節(jié)點可以向節(jié)點發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是在SCL線路上從低到高轉(zhuǎn)換后，SDA線路上的電壓從低到高轉(zhuǎn)換，而SCL線路保持高電平。

在 SCL 線路從低電平切換到高電平后，SDA 線從低電壓電平切換到高壓電平。參見圖 10。

I 的步驟2C 傳輸：寫入

舉個例子 I2C傳輸寫入位置的單個位置，見圖11。

步驟 1

主設(shè)備通過將SDA線從高壓電平切換到低電壓電平，然后再將SCL線從高電平切換到低電平，將啟動條件發(fā)送到每個連接的節(jié)點。

步驟 2

主節(jié)點向每個節(jié)點發(fā)送它想要與之通信的節(jié)點的 7 位或 10 位地址以及寫入位。

例如，0x2D 7 位地址。添加等效于 0 的寫入位，它將0x5A。

步驟 3

每個節(jié)點將從主地址發(fā)送到的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點通過將 SDA 線拉低一位來返回 ACK 位。如果來自主節(jié)點的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點將 SDA 線保留為高電平。

通過在 SCL 的第九個脈沖期間將 SDA 線降低到低電平，對于 NACK，將 SDA 線浮動到高電平，可以實現(xiàn) ACK。

步驟 4

主發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀。

步驟 5

每個數(shù)據(jù)幀傳輸完畢后，接收設(shè)備向發(fā)送方返回另一個ACK位，以確認(rèn)成功接收該幀。

步驟 6

為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備通過在將SDA切換為高電平之前將SCL切換為高電平來向節(jié)點發(fā)送停止條件。

I 的步驟2C 數(shù)據(jù)傳輸：讀取

步驟 1

主設(shè)備通過將SDA線從高壓電平切換到低電壓電平，然后再將SCL線從高電平切換到低電平，將啟動條件發(fā)送到每個連接的節(jié)點。

步驟 2

主節(jié)點向每個節(jié)點發(fā)送它想要與之通信的節(jié)點的 7 位或 10 位地址以及寫入位。

例如，0x2D 7 位地址。添加等效于 0 的寫入位，它將0x5A。

步驟 3

每個節(jié)點將從主地址發(fā)送到的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點通過將 SDA 線拉低一位來返回 ACK 位。如果來自主節(jié)點的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點將 SDA 線保留為高電平。

步驟 4

在初始啟動、尋址和確認(rèn)之后，由于主設(shè)備已經(jīng)知道其節(jié)點和要指向的地址，因此某些設(shè)備具有重復(fù)的啟動條件來清理事務(wù)。

注意：僅供閱讀之用！

步驟 5

主節(jié)點向每個節(jié)點發(fā)送它想要與之通信的節(jié)點的 7 位或 10 位地址以及讀取位。

例如，0x2D 7 位地址。添加等于 1 的讀取位，它將0x5B。

步驟 6

每個節(jié)點將從主地址發(fā)送到的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點通過將 SDA 線拉低一位來返回 ACK 位。如果來自主節(jié)點的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點將 SDA 線保留為高電平。

步驟 7

在ACK位之后，主節(jié)點接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)幀。

步驟 8

傳輸完每個數(shù)據(jù)幀后，主器件向發(fā)送方返回另一個 ACK 位以確認(rèn)成功接收幀，或者如果讀取請求已完成，則主器件返回 NACK。

步驟 9

為了停止數(shù)據(jù)傳輸，主設(shè)備通過在將SDA切換為高電平之前將SCL切換為高電平來向節(jié)點發(fā)送停止條件。

具有多個節(jié)點的單個主節(jié)點

因為I2C使用尋址，可以從單個主節(jié)點控制多個節(jié)點。對于 7 位地址，128 （27） 唯一地址可用。使用 10 位地址并不常見，但提供 1024 （210） 唯一地址。要將多個節(jié)點連接到單個主電源，請使用 4.7 kΩ 上拉電阻將它們連接到 V抄送.

具有多個節(jié)點的多個電源

多個主設(shè)備可以連接到單個節(jié)點或多個節(jié)點。當(dāng)兩個主設(shè)備嘗試通過SDA線路同時發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，同一系統(tǒng)中多個主設(shè)備的問題就出現(xiàn)了。

為了解決這個問題，每個主線都需要在傳輸消息之前檢測SDA線路是低還是高。

如果SDA線較低，則意味著另一條主線控制了總線，主線應(yīng)等待發(fā)送消息。如果 SDA 線路很高，則傳輸消息是安全的。要將多個電源連接到多個節(jié)點，請使用圖13所示的圖表，使用4.7 kΩ上拉電阻將SDA和SCL線路連接到V抄送.

圖 13.連接多個節(jié)點的多個電源。

仲裁

幾個I2C多主設(shè)備可連接同一I2C 總線并發(fā)運行。通過持續(xù)監(jiān)控SDA和SCL的啟動和停止條件，他們可以確定總線當(dāng)前是否處于空閑狀態(tài)。如果總線繁忙，則主設(shè)備延遲等待I2C 轉(zhuǎn)換，直到停止條件指示公共汽車再次空閑。

但是，可能會發(fā)生兩個主要設(shè)備同時開始傳輸?shù)那闆r。在傳輸過程中，電源不斷監(jiān)控SDA和SCL。如果其中一個檢測到SDA在應(yīng)該高的時候很低，它會假設(shè)另一個主干處于活動狀態(tài)并立即停止其傳輸。此過程稱為仲裁。兩個電源都生成一個起始位并繼續(xù)傳輸。

如果電源碰巧選擇了相同的邏輯電平，則不會發(fā)生任何事情。

一旦主電源試圖施加不同的邏輯電平，主電源就會宣布信號低電平，從而宣布獲勝;失敗者檢測到邏輯不匹配并放棄其傳輸。

花點時間欣賞一下這種安排的簡單性和有效性：

獲勝者繼續(xù)傳輸而不會中斷 - 沒有損壞的數(shù)據(jù)，沒有驅(qū)動程序爭用，不需要重新啟動事務(wù)。

從理論上講，失敗者可以在仲裁過程中監(jiān)控節(jié)點地址，如果它恰好是尋址節(jié)點，則做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

如果競爭主線都從同一節(jié)點請求數(shù)據(jù)，仲裁過程不會不必要地中斷任一事務(wù) — 不會檢測到不匹配，并且節(jié)點會將其數(shù)據(jù)輸出到總線，以便多個主線可以接收它。

時鐘拉伸

這也稱為時鐘同步。

注：I2C規(guī)范未指定時鐘拉伸的任何超時條件，也就是說，任何設(shè)備都可以根據(jù)需要按住 SCL。

在I2C通信協(xié)議中，時鐘速度和信號始終由主器件產(chǎn)生。由 I 產(chǎn)生的信號2C 主設(shè)備提供主節(jié)點連接之間的同步。

在某些情況下，節(jié)點或子節(jié)點未完全工作，需要在從主節(jié)點接收生成的時鐘之前放慢速度。這是通過一種稱為時鐘拉伸的機制實現(xiàn)的。

在時鐘拉伸期間，為了降低總線速度，允許節(jié)點按住時鐘。在主側(cè)，有必要在其高電平狀態(tài)之后回讀時鐘信號。然后它必須等到線達到高狀態(tài)。

帶寬

雖然時鐘延長是一種常見的做法，但對帶寬方面有影響。在使用時鐘延伸時，共享總線之間的總帶寬可能會顯著降低。即使使用這種技術(shù)，總線性能也必須可靠且快速。有必要涵蓋使用時鐘拉伸的估計效果，尤其是在 I2由多個設(shè)備共享的C總線。

時鐘拉伸允許 I2C 節(jié)點設(shè)備強制主設(shè)備進入等待狀態(tài)。節(jié)點設(shè)備在需要更多時間來管理數(shù)據(jù)時（例如，存儲接收的數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備傳輸另一個數(shù)據(jù)字節(jié)）時，可能會執(zhí)行時鐘延伸。這通常發(fā)生在節(jié)點設(shè)備接收并確認(rèn)一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后。

其中I2C節(jié)點設(shè)備需要時鐘延長？

是否需要時鐘拉伸取決于節(jié)點設(shè)備的功能。下面是兩個示例：

處理設(shè)備（如微處理器或微控制器）可能需要額外的時間來處理中斷、接收和管理數(shù)據(jù)以及執(zhí)行適當(dāng)?shù)墓δ堋?/p>

更簡單的設(shè)備（如EEPROM）不在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，因此不需要時鐘拉伸來執(zhí)行其任何功能。

I2C數(shù)據(jù)手冊示例概述

根據(jù)不同的公司和制造商，在創(chuàng)建數(shù)據(jù)表方面有不同的方法。首先，圖13顯示了一個示例數(shù)據(jù)手冊和基本數(shù)據(jù)手冊2C 詳細(xì)信息，包括寄存器和電子規(guī)格。

圖 15.微控制器內(nèi)存圖。

表 4 顯示了最常用的 I2C 寄存器。名稱和描述可能因數(shù)據(jù)手冊而異，但功能和用法是通用的。

我創(chuàng)造2C 可能因使用情況而異。表 5 顯示了基本 I 的樣本2C 驅(qū)動程序 API 要求。

SMBus

眾所周知，SMBus 用于需要關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控的應(yīng)用。它最常用于計算機主板和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。它具有溫度、電源電壓、風(fēng)扇監(jiān)視器和/或控制集成芯片的附加監(jiān)控規(guī)范。

SMBus 是一條 2 線總線，類似于 I2飛利浦在1980年代開發(fā)的C總線。兩個主要信號是時鐘或SMBCLK和數(shù)據(jù)或SMBDAT。我2C 引物和 SMBus 相互兼容，但存在顯著差異，例如：

SMBus邏輯電平門限是固定的，與器件的電源電壓不成比例。這允許具有不同電源電壓的器件在同一引物上工作。例如，一個 SMBus 可能具有由 1.8 V、3.3 V 和 5 V 供電的設(shè)備。

它們都以高達 100 kHz 的相同速度運行，但 I2C 引物有 400 kHz 和 2 MHz 版本。

SMBus 提供最小時鐘速度，并限制時鐘在一個事務(wù)中可能延長的數(shù)量。違反超時限制會導(dǎo)致所有 SMBus 設(shè)備重置其 I/O 邏輯以允許總線重新啟動。這增強了總線的魯棒性。

兩者的超時也不同。我2C 引物沒有超時，而 SMBus 有超時 — 對于 10 kHz 的最小時鐘速度，請考慮 35 ms。

數(shù)據(jù)包錯誤檢查 （PEC） 最初是為 SMBus 定義的。在每個事務(wù)的末尾添加一個數(shù)據(jù)包錯誤代碼字節(jié)。

剩下的一些差異涉及傳輸類型、警報線、掛起線以及斷電或上電。

SMBus 設(shè)備每次收到時都必須確認(rèn) （ACK） 自己的地址，這是一項明確要求，無論設(shè)備可能正在執(zhí)行其他操作。這確保了主設(shè)備可以準(zhǔn)確地確定總線上哪些設(shè)備處于活動狀態(tài)。

所有 SMBus 事務(wù)都通過指定的 SMBus 協(xié)議之一執(zhí)行。

SMBus 包括一個可選信號 SMBALERT#，節(jié)點設(shè)備可以使用該信號快速通知主主機或系統(tǒng)主機它具有主主機的信息，例如報告故障情況。

圖 16.SMBus 拓?fù)洹?/strong>