[STM32学习]——一文搞懂I2C总线

目录

I2C总线的概念

I2C最重要的功能包括：

I2C的物理层

I2C主要特点：

I2C的高阻态

I2C物理层总结：

I2C的协议层

初始（空闲）状态

开始信号：

 停止信号

数据有效性

 应答信号

 I2C数据传送

数据传送格式

I2C写数据

I2C发送数据

I2C读数据:

以EEPROM的AT24C02为例子

 芯片的寻址：

 操作时序：

从AT24C02中读取数据

1、读取当前地址的数据

 2、读取随即地址的数据

3、连续读数据

软件I2C和硬件I2C

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I²C（Inter-Integrated Circuit），中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，是由飞利浦公司在1980年代初设计的，方便了主板、嵌入式系统或手机与周边设备组件之间的通讯。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。

I2C总线支持任何IC生产过程（NMOS、CMOS、双极性）。两线——串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线存在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有唯一的地址识别（无论是微控制器、LCD驱动器、存储器或者键盘接口），而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的共能决定）。很明显，LCD驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机（见下表）。主机是初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件。此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。

• 只需要两条总线
• 没有严格的波特率要求，例如使用RS232，主设备生成总线时钟
• 所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一的地址进行软件寻址
• I2C是真正的多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测
• 传输速度
  • 标准模式：100kbit/s
  • 快速模式：400kbit/s
  • 高速模式：3.4Mbit/s
• 最大主设备数：无限制
• 最大从机数：理论上是127

以上是I2C的一些重要特点，下面会对I2C作进一步介绍。

任何一个通信协议，分析起来主要分为物理层（硬件层）和协议层（软件层）

I2C协议仅需要一个SDA和SCL引脚。SDA是串行数据总线的缩写，而SCL是串行时钟线的缩写。这两条数据线需要接上拉电阻。设备间的连接如下所示：

使用I2C，可以将多个从机（Slave）连接到单个主设备（Master），并且还可以有多个主设备（Master）控制一个或者多个从机（Slave）.

假如希望有多个微控制器（MCU）将数据记录到单个存储卡或将文本显示到单个LCD时，这个功能就非常有用。 

I2C总线（SDA，SCL）内部都使用漏极开路驱动器（开漏驱动），因此SDA和SCL可以被拉低为低电平，但是不能被驱动为高电平（PS：不知道原因的建议回去看下数电），所以每天线上都要使用一个上拉电阻，默认情况下将其保持在高电平。

上拉电阻的取值取决于很多因素，德州仪器TI建议使用以下公式来计算正确的上拉电阻值：经验值

                                Rp​(min)=VDD​−VOL​(max)​/IOL

                      Rp​(min)=0.8473xCb​tr​​

其中VOL是逻辑低电压，IOL是逻辑低电流，tr是信号的最大上升时间

Cb是总线电容

I2C一共只有两根总线：一条是双向的串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL

• SDA（Serial data）是数据线，D代表Data也就是数据，Send Data也就是用来传输数据的
• SCL (Serial clock line)是时钟线，C代表Clock也就是时钟，也就是控制数据发送的时序的

所有连接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。I2C总线上的每个设备都自己一个唯一的地址，来确保不同设备之间访问的准确性。

通常我们为了方便把I2C设备分为主设备和从设备，基本上谁控制时钟线（即控制SCL的电平高低变换）谁就是主设备。

• I2C主设备功能：主要产生时钟，产生起始信号和停止信号
• I2C从设备功能：可编程的I2C地址检测，停止位检测
• I2C的一个优点是它支持多主控（multi mastering），其中任何一个能够进行发送和接受的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。
• 支持不同速率的通讯速度，标准速度为100kbit/s，快速为400kbit/s，最大为3.4Mbit/s
• SCL和SDA都需要借上拉电阻（大小由速度和容性负载决定，一般在3.3K到10K之间）保证数据的稳定性，减少干扰。
• I2C是半双工，而不是全双工，同一时间只可以单向通信
• 为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是漏极开路（OD）输出或者集电极开路（OC）输出，这一点在下面会进行讲解。

漏极开路（Open Drain）即高阻状态，适用于输入/输出，其可以独立输入/输出低电平和高阻状态，若需要产生高电平，则需使用外部上拉电阻。

高阻状态：高阻状态是三态门电路的一种状态。逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路。电路分析时高阻态可以做开路理解。

我们知道I2C的所有设备是连接在一根总线上的，那么我们进行通信的时候往往只是几个设备进行通信，那么这时候其余的空闲设备可能会受到总线干扰，或者干扰总线，怎么办呢？

为例避免总线信号的混乱，I2C的空闲状态只能有外部上拉，而此时空闲设备被拉到高阻态，也就是相当于断路，整个I2C总线也只有开启了的设备才会正常进行通信，而不会干扰到其他设备。

 I2C器件地址：每一个I2C器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂的时候就设定好了，用户不可以更改，比如OV7670的地址为0x42。有的器件例如EEPROM，前四个地址已经确定好为1010，后三个地址是由硬件连接确定的，所以I2C总线最多能够连8个EEPROM芯片。

I2C总线在物理连接上非常简单，分别由SDA和SCL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输。在总线空闲状态时，SCL和SDA被上拉电阻Rp拉高，使得SDA和SCL线都保持高电平。

I2C的通信方式为半双工，只有一根SDA线，同一时间只可以单向通信，485也为半双工，SPI和UART通信为全双工。

主机和从机的概念：

主机就是负责整个系统的任务协调与分配，从机一般是通过主机的指令从而完成某些特定的任务，主机和从机之间可以通过总线连接，进行数据通信。

• 发布主要命令的称为主机
• 接受命令的称为从机

I2C总线在传递数据的过程中共有三种类型的信号，它们分别是：开始信号，结束信号，应答信号。

• 开始信号：SCL为高电平，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据
• 结束信号：SCL为高电平，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据
• 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据之后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已经收到数据。CPU向受控单元发出一个信号之后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

I2C总线时序图

 下面我们来讲I2C的通信协议流程：

因为I2C的SCL和SDA都需要接上拉电阻，保证空闲状态的稳定性，所以I2C总线在空闲状态下的SCL和SDA都保持高电平

开始信号：

SCL保持高电平，SDA由高电平变为低电平后，延时（>4.7us），SCL变为低电平。

 停止信号

停止信号：SCL保持高电平，SDA由低电平变为高电平

 在起始条件产生之后，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；而在停止条件产生之后，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。

数据有效性

I2C信号在数据传输过程中，当SCL=1高电平时，SDA必须保持稳定状态，不允许有电平跳变，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

SCL=1时，数据线SDA的任何电平变换会看做是总线的起始信号或者停止信号。

也就是在I2C传输数据的过程中，SCL时钟线会频繁的转换电平，以保证数据的传输。

 

 应答信号

每当主机向从机发送完一个字节的数据，主机总是需要等待从机给出一个应答信号，以确认从机是否成功接收到了数据。

应答信号：主机SCL拉高，读取从机SDA的电平，为低电平表示产生应答

• 应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功的接收了该字节
• 应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。

 每发送一个字节（8bit）在一个字节传输的8个时钟后的第九个时钟期间，接收器接收数据后必须回一个ACK应答信号给发送器，这样才能进行数据传输。

应答出现在每一次主机完成8个数据位传输后紧跟着的时钟周期，低电平0表示应答，1表示非应答

数据传送格式

SDA线上的数据在SCL时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或者“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位的，数据传送时，先传送最高位（MSB），每个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

当一个字节数据位从高位到低位的顺序传输完成之后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位（ACK），此时才认为一个字节真正的被传输完成，如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

I2C写数据

 

多数从设备的地址为7位或者10位，一般都用7位。

八位设备地址=7位从机地址+读/写地址

再给地址添加一个方向位用来表示接下来数据的传输方向

• 0表示主设备向从设备（write）写数据
• 1表示主设备向从设备（read）读数据

I2C的每一帧数据由9bit组成

如果是发送数据，则包含8bit数据+1bit数据ACK

如果是设备地址数据，则8bit包含7bit设备地址1bit方向（PS：其实地址就是一个特殊的数据）

 

 在起始信号后必须传送一个从机地址（7位）1~7位为7位接收器地址，第8位为读写位，用0表示主机发送数据，1表示主机接收数据，第九位为ACK应答位，紧接着的为第一个数据字节，然后是一位应答位，后面继续第二个数据字节

I2C发送数据

 

Start：I2C起始信号，表示开始传输

DEVICE_ADDRESS：从设备地址，就是7位从机地址

R/W：W为写，R为读

WORD_ADDRESS：从机中对应的寄存器地址，比方说访问OLED中的某个寄存器

DATA：发送的数据

STOP：停止信号，结束I2C

 主机要向从机写数据时：

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧接着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位（R/W），0表示主机发送数据，1表示主机接收数据（读）
3. 主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，若相同，则认为自己正在被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器和接收器
4. 这时候主机等待从机的应答信号（A）
5. 当主机收到应答信号时，发送要访问从机的哪个地址，继续等待从机的应答信号
6. 当主机接收到应答信号时，发送N个字节的数据，继续等待从机的N次应答信号
7. 主机产生停止信号，结束传送过程

I2C读数据:

 主机要从从机读数据时：

1. 主机首先产生START信号
2. 然后紧接着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令
3. 这时候主机等待从机的应答信号（ACK）
4. 当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号
5. 当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式（主机将由发送变为接收，从机将由接受变为发送）所以主机重新发送一个START信号，然后紧接着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据
6. 这时候主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收一个字节的数据，当接受完成后，主机发送非应答信号，表示不再接收数据
7. 主机进而产生停止信号，结束传送过程

AT24C02是一个2K bit的串行EEPROM存储器（掉电不丢失），内部含有256个字节。在这里面有一个8字节的页写缓冲器

 A0,A1,A2：硬件地址引脚

WP：写保护引脚，接高电平只读，接地允许读和写

SCL和SDA：I2C总线

以看出对于不同大小的24Cxx，具有不同的从器件地址。由于24C02为2K容量，也就是说只需要参考图中第一行的内容：

AT24C设备地址如下，前四位固定为1010，A2~A0由管脚电平决定。AT24Cxx EEPROM Board模块中默认接地。A2~A0为000，最后一位表示读写操作。所以AT24CXX的读地址为0xA1，写地址为0xA0.

也就是说

写24C02时，从器件的地址为10100000（0xA0）

读24C02时，从器件的地址为10100001（0xA1）

芯片内寻址可对内部的256byte的任意一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。

对应的修改A2A1A0三位数据即可。

 

向AT24C02中写数据

1. MCU先发送一个开始信号（START）启动总线
2. 接着跟上首字节，发送器件写操作地址（DEVICE_ADDRESS）+写数据（0xA0）
3. 等待应答信号
4. 发送数据的存储地址。24C02一共有256个字节的存储空间，地址从0x00~0xFF,想把数据存储在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。
5. 发送要存储的数据第一字节，第二字节，注意在写数据的过程中，E2PROM每个字节都会回应一个应答位0，告诉我们写E2PROM数据成功，如果没有应答位，说明写入不成功
6. 发送结束信号，停止总线

 注意：在写数据的过程中，每写入一个字节，E2PROM存储空间地址就会加1，当加到0xFF后，再写入一个字节，地址就会溢出又变成0x00

写数据的时候需要注意，E2PROM是先写入到缓冲区，然后再搬运到掉电非易失区。这个过程需要一定的时间，AT24C02这个过程是不超过5ms

所以，当我们在写多个字节时，写入一个字节之后，再写入一个字节之前，必须延时，这里我用的另一种方法，不用延时。

1、读取当前地址的数据

 2、读取随即地址的数据

1.  MCU先发送一个开始信号(START)启动总线
2. 接着跟上首字节，发送器件写操作地址(DEVICE ADDRESS)+写数据(0xA0)

注意：这里写操作是为了要把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉E2PROM要读取哪个地址的数据。

     3.发送要读取内存的地址(WORD ADDRESS)，通知E2PROM读取要哪个地址的信息。

    4.重新发送开始信号(START)

   5.发送设备读操作地址(DEVICE ADDRESS)对E2PROM进行读操作 (0xA1)    6. E2PROM会自动向主机发送数据，主机读取从器件发回的数据，在读一个字节后，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据    7.如果不想读了，告诉E2PROM不想要数据了，就发送一个“非应答位NAK(1)”。发送结束信号（STOP）停止总线

3、连续读数据

 E2PROM支持连续写操作，操作和单个字节类似，先发送设备写操作地址(DEVICE ADDRESS)，然后发送内存起始地址(WORD ADDRESS)，MCU会回应一个应答信号(ACK)后，E2PROM会继续传输下一个地址的数据，MCU不断回应应答信号可以不断读取内存的数据。E2PROM的地址指针会自动递增，数据会依次保存在内存中。不应答发送结束信号后终止传输。

I2C分为软件I2C和硬件I2C

软件I2C：软件I2C通信指的是用单片机的两个I/O端口模拟出来的I2C，用软件控制管脚状态以模拟I2C通信波形，软件模拟寄存器的工作方式

硬件I2C：一块硬件电路，硬件I2C对应芯片上的外设，有相应的I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，硬件I2C直接调用内部寄存器进行配置。

硬件I2C的效率要远高于软件的，而软件I2C由于不受管脚限制，接口比较灵活。