I2C通信協(xié)議詳解

通信協(xié)議：所謂通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守。因此，也叫做通信控制規(guī)程，或稱傳輸控制規(guī)程，它屬于ISO'S OSI七層參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層。目前，采用的通信協(xié)議有兩類：異步協(xié)議和同步協(xié)議。

同步協(xié)議又有面向字符和面向比特以及面向字節(jié)計(jì)數(shù)三種。其中，面向字節(jié)計(jì)數(shù)的同步協(xié)議主要用于DEC公司的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中。

異步協(xié)議：一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，傳輸一個(gè)字符時(shí)，以起始位開始，然后傳輸字符本身的各位，接著傳輸校驗(yàn)位，最后以停止位結(jié)束該字符的傳輸。一次傳輸?shù)钠鹗嘉�、字符各位、校�?yàn)位、停止位構(gòu)成一組完整的信息，稱為幀(Frame-)。幀與幀之間可有任意個(gè)空閑位。起始位之后是數(shù)據(jù)的最低位。

串口通信(Serial Communication)， 是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線 、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)汀?/span>

當(dāng)前比較流行的串行通信協(xié)議主要有EIA-232、EIA-232、EIA-485、USB、IEEE 1394幾種：

以下著重介紹I2C總線：

一、I2C總線概述：

I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，是具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。I2C總線只有兩根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。如下圖：

I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。如下圖：

每個(gè)接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機(jī)與其它器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到其它器件，這時(shí)主機(jī)即為發(fā)送器。由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。在多主機(jī)系統(tǒng)中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機(jī)企圖啟動總線傳送數(shù)據(jù)。為了避免混亂， I2C總線要通過總線仲裁，以決定由哪一臺主機(jī)控制總線。

二、I2C總線數(shù)據(jù)傳送：

1、數(shù)據(jù)位的有效性規(guī)定

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。如下圖：

2、起始信號和終止信號

SCL線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。如下圖：

起始和終止信號都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立刻接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。 

3、數(shù)據(jù)傳送格式

(1)字節(jié)傳送與應(yīng)答

每一個(gè)字節(jié)必須保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位（即一幀共有9位）。如下圖：

由于某種原因從機(jī)不對主機(jī)尋址信號應(yīng)答時(shí)（如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)），它必須將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送；

如果從機(jī)對主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)則應(yīng)發(fā)出終止信號以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送；

當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，必須向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號。這個(gè)信號是由對從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號。

(2)數(shù)據(jù)幀率格式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數(shù)據(jù)信號。在起始信號后必須傳送一個(gè)從機(jī)的地址（7位），第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（T），“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)（R）。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號結(jié)束。但是，若主機(jī)希望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機(jī)進(jìn)行尋址。

在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：

①主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：

【注】有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無陰影部分則表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。

      A表示應(yīng)答， A非表示非應(yīng)答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。

②主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，立即從從機(jī)讀數(shù)據(jù)：

③在傳送過程中，當(dāng)需要改變傳送方向時(shí)，起始信號和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。

4、總線的尋址

I2C總線有明確規(guī)定：采用7bit尋址字節(jié)（尋址字節(jié)是起始信號后的第一個(gè)字節(jié)）。

【注】D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼和自己的地址比較，如果相同，則認(rèn)為自己被主機(jī)尋址，根據(jù)R/T位將自己確認(rèn)為發(fā)送器或者接收器。

從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中，可能希望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可以編程的部分決定了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。

附：單片機(jī)I2C串行總線數(shù)據(jù)傳送模擬

子程序：

1）總線的初始化

Void init()

{      

SDA = 1;

   delay(  );

   SCL = 1;

   delay(  );

}

將總線都拉高以釋放總線

2）啟動信號

void start()

{

   SDA = 1;

   delay(  );

   SCL = 1;

   delay(  );

   SDA = 0;

   delay(  );

}

SCL在高電平期間，SDA一個(gè)下降沿啟動信號

3）應(yīng)答信號

void respons()

{

   Uchar i=0;

SCL = 1;

   delay(  );

   While((SDA == 1)&&(i < 255))

{

i++;

SCL = 0;

   delay(  );

}

}

SCL在高電平期間，SDA被從設(shè)備拉為低電平表示應(yīng)答，上面的代碼中有一個(gè)（SDA == 1）和（i <<255）與關(guān)系，表示若在一段時(shí)間內(nèi)沒有收到從器件的應(yīng)答則主器件默認(rèn)從器件已經(jīng)收到數(shù)據(jù)而不再等待應(yīng)答信號，如果不加這個(gè)延時(shí)退出，一旦從器件沒有發(fā)送應(yīng)答信號，程序?qū)⒂肋h(yuǎn)停在這里，而真正的程序中不允許這樣的情況發(fā)生。

4）停止信號

void stop()

{

   SDA = 0;

   delay(  );

   SCL = 1;

   delay(  );

   SDA = 1;

   delay(  );

}

SCL在高平期間，SDA一個(gè)上升沿停止信號。

5）寫一個(gè)字節(jié)

void writebyte(uchar data)

{

   Uchar i,temp;

   temp = data;

   for(i=0;i<8,i++)

{

   temp=temp<<1;

   SCL=0;

    Delay();

   SDA=CY;

   Delay();

   SCL=1;

   Delay();

}

SCL=0;

Delay();

SDA=1;

Delay();

}

串行發(fā)送一個(gè)字節(jié)時(shí)，需要把這個(gè)字節(jié)中的8位一位一位的發(fā)出，temp=temp<<1表示左移，將最高位移入PSD寄存器CY位中然后將CY賦給SDA，進(jìn)而咋SCL的控制下發(fā)送出去。

6）讀一個(gè)字節(jié)

Uchar readbyte()

{

Uchar i,k;

SCL=0;

Delay();

   SDA=1

   For(i=0;i<8;i++)

   {

SCL=1;

Delay();

K = (k<<1)|SDA;

       SCL=0;

       Delay();

   }

  Delay();

  Retrun k;

}

串行接受一個(gè)字符時(shí)需要將8位一位一位的接收，然后再組合成一個(gè)字節(jié)，上面代碼中我們定義了一個(gè)臨時(shí)變量k，將k左移一位后與SDA進(jìn)行或運(yùn)算，依次把8個(gè)獨(dú)立的位放入一個(gè)字節(jié)中來完成接收。