I2C总线协议笔记

特点3线（SDA，SCL，GND），同步，半双工，多主机，短距离。连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400pF限制，并可以通过中继器增加器件数量。四种工作模式：MasterTransmitter；MasterReceiver；SlaveTransmitter；SlaveReceiver。三种速度模式低速模式（标准模式，S）：100kbps；快速模式（F）：400kbps；高速模式（Hs）：3.4Mbps。总线时序各种状态：起始（S）/重启（Sr），地址（ADDR），读/写（R/W），响应（ACK），数据（DATA），结束（P）。起始/重启：SCL为高时，SDA由高到低结束：SCL为高时，SDA由低到高数据：位传输：SDA线上的数据必须在时钟的高电平期间保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。字节传输：MSBFirst，每个字节必须为8位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。响应：响应位的产生原则是谁接收谁响应。在响应的时钟脉冲期间，接收器必须进行响应。将SDA线拉低以产生ACK信号，表明接受输入；拉高表示NACK，表明拒绝输入。主机在传输完最后一个字节后，可以不产生ACK信号而直接产生停止信号。时钟同步与总线仲裁：当总线上存在多主机同时工作的时候，就需要进行时钟同步和总线仲裁。同步的目的是让总线上工作的器件按照一致的时钟进行数据收发。同步是在SCL上实现的，总线的SCL高电平时间长度由所有工作主机中高电平时间最短的一方决定，而低电平时间由低电平时间最长一方决定。任何时间上只能有一个主机获得总线控制权，总线的仲裁是在SDA上实现的。在其他主机发送低电平时，发送高电平的主机将因失去总线控制权而需要断开它的数据输出级，因为总线上的电平与它自己的发出的电平不相同。失去总线控制权的主机需要立刻转入Slave模式，以防当前被寻址器件就是它。仲裁不能在以下情况下进行：寻址包括7位地址和10位地址两种。7位地址中，0x0000XXX和0x1111XXX两组地址为系统保留地址，用于完成特殊任务，不能给特定的器件使用。实际能用的地址只有112个。10位寻址和7位寻址兼容，而且可以结合使用。10位寻址采用了保留的0x1111XXX作为起始条件S或重复起始条件Sr的后第一个字节的头7位，但是只使用了0x11110XX共4个组合，剩下的4个组合0x11111XX保留给以后增强的I2C总线。主机发送器用10位地址寻址从机接收器并写入数据（如无数据段则仅为寻址）主机接收器用10位地址寻址从机发送器并读取数据快速模式Hs时间对于负载最大是200pF的总线，每条总线的上拉器件可以是一个电阻；而对于负载在200pF~400pF之间的总线，上拉器件可以是一个电流源（最大值3mA）或者是一个开关电阻电路。Hs模式主机器件有一个SDAH信号的开漏输出缓冲器和一个在SCLH输出的开漏极下拉和电流源上拉电路。器件以高电平和低电平是1:2的比率产生一个串行时钟信号，解除了建立和保持时间的时序要求仲裁过程只在前期的F/S模式中进行，而不在Hs模式中进行。I2C接口EEPROM的操作软复位寻址器件寻址：根据Philips的分配，EEPROM器件的地址统一为0x1010XXX，因此总线上最多可以挂接8个EEPROM器件。内部寻址：AT24C00存储器有128bit（16Byte）空间，只需要使用一个字节的低四位进行内部寻址。但是它在器件寻址期间，不比较XXX位，因此当有它存在时，总线上无法挂接其他EEPROM器件，而且总线上只能有一个AT24C00。AT24C01/2只使用一个字节的内部地址即可完成所有存储单元的的寻址；AT24C04/8需要9/10位地址，除了使用一个字节用于内部寻址外，还借用1/2位的器件地址作为片内存储器的分页地址，组成9/10位的内部地址。AT24C16/32/64/128/256/512需要11～16位地址，无法继续通过借用器件地址的方式来扩展寻址范围，因此需要使用2个字节作为内部存储器的地址，并且根据地址位数不同，首字节的部分高位将会无效。AT24C1024需要17位地址，在使用2个字节作为内部寻址同时，与AT24C04一样，借用了器件地址的一位作为内部分页。读写操作单字节写入：使用写入方式寻址器件后，继续写入1～2字节的内部存储器地址，及一个字节数据，随后产生停止条件，完成单字节写入。S，DeviceAddress+W，WordAddress，OneByteData，P页写入：与单字节写入类似，只是数据量不是一个字节，而是多个字节，在写入完成前不产生停止条件。页写入的最大数据量由器件的页大小决定，超过页容量后将会回滚而不是翻页，后续的数据会从页的开始地址写入，直至覆盖之前写入的数据。S，DeviceAddress+W，WordAddress，NBytesData，P读当前地址：直接使用读取方式进行器件寻址，寻址后器件会从当前内部地址开始发送数据，如果主机在接受到数据后不产生NACK或者P条件，期间将会继续发送后续数据直至收到NACK或者P条件。S，DeviceAddress+R，NBytesData，P随机读取：使用写入方式对器件进行寻址后，只写入1～2字节的内部存储器地址，但不写入数据，然后产生Sr条件，然后进入读当前地址的模式。S，DeviceAddress+W，WordAddress，Sr，DeviceAddress+R，NBytesData，P与页写入不同，读取时，只要不产生NACK或者P，器件就会一直输出后续数据，在跨页时进行翻页操作，只有在超过器件的寻址空间后，才会进行回滚操作。ACK查询：在总线写入数据后，EEPROM将启动内部写入时序，在此期间将不会继续接收总线上的数据，也不会对数据进行ACK，因此主机需要启动ACK查询。查询方法为：S，DeviceAddress+R/W，S，DeviceAddress+R/W，S，。。。直到接收到ACK为止，才能进行后续的读/写操作。在ACK查询过程中的R/W信号，就是后续操作的方向。