单片机原理及应用_第七讲

I2C串行总线的组成及工作原理8.1I2C串行总线的组成及工作原理采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。同时，系统的更改和扩充极为容易。常用的串行扩展总线有：I2C（InterICBUS）总线、单总线（1－WIREBUS）、SPI（SerialPeripheralInterface）总线及Microwire/PLUS等。本课仅讨论I2C串行总线。8.1.1I2C串行总线概述I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。I2C总线通过上拉电阻（阻值常为1k8,4k7and10k，1k8时性能最好）接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系（总线上的信号是所有器件输出到该线路上的信号相“与”的结果）。连接上I2C总线的器件的引脚可以输出/输入信号到总线上。器件引脚输出的信号可能是：高电平/低电平（器件工作时）、高阻态（器件不工作时）。当器件不工作时，其输出为高阻态，由于总线通过上拉电阻接正电源，所以总线上的信号为高电平。即：当总线空闲时，两根线均为高电平。将SDA、SCL均置为1，用来释放总线。当器件工作时，若输出为高电平，总线上的信号为高电平（前提是没有别的部件输出低电平到总线上）；若输出为低电平，总线上的信号恒为低电平（不管有没有别的部件输出什么信号到总线上）。即如果一方输出低，另一方即使输出高也不能使SDA为高，相当于，输出低的一方占住了SDA口，所以两个口一个输出高一个输出低，则线上电平是低的。这是因为输出高的驱动能力不及输出低的拉电流的能力。总线封锁状态：如果需要禁止所有发生在I2C总线上的通信活动，封锁或关闭总线是一种可行途径，只要挂接于该总线上的任意一个器件将时钟线SCL锁定在低电平上即可。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，即主机写从机，这时主机为发送器，从机为接收器；也可以由从机发送数据到主机，即主机读从机，这时从机为发送器，主机为接收器。虽然二者都可以传输数据，但是从设备不能发起传输，且传输是受到主设备控制的。所以主机读从机时，需先由主机向从机发读命令，然后由从机发送数据到主机。在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。器件释放总线是通过不驱动总线来释放，停止驱动后总线应该为“1”，但是发现总线还是“0”，说明还有主机在竞争总线使用权，自己线驱动到“1”，却检测到“0”，意味着自己已经失去了仲裁（失去了总线使用权）。所以即其仲裁原则为：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送高电平的那个器件将自动关闭其输出级。若均为低电平后则比较从机的器件地址，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较。所以I2C总线的控制只由地址码以及要发送的数据决定，没有中央主机，总线也没有任何定制的优先权。假如在某I2C总线系统中存在两个主器件节点，分别记为主器件1和主器件2，其数据输出端分别为DATA1和DATA2，它们都有控制总线的能力，这就存在着发生总线冲突（即写冲突）的可能性。假设在某一瞬间两者相继向总线发出了启动信号，鉴于：I2C总线的“线与”特性，使得在数据线SDA上得到的信号波形是DATA1和DATA2两者相与的结果。在总线被启动后，主器件1企图发送数据“101……”，主器件2企图发送数据“100101……”。两个主器件在每次发出一个数据位的同时都要对自己输出端的信号电平进行抽检，只要抽检的结果与它们自己预期的电平相符，就会继续占用总线，总线控制权也就得不到裁定结果。主器件1的第3位期望发送“1”，也就是在第3个时钟周期内送出高电平。在该时钟周期的高电平期间，主器件1进行例行抽检时，结果检测到一个不相匹配的电平“0”，这时主器件1只好决定放弃总线控制杈；因此，主器件2就成了总线的惟一主宰者，总线控制权也就最终得出了裁定结果，从而实现了总线仲裁的功能。从以上总线仲裁的完成过程可以得出：仲裁过程主器件1和主器件2都不会丢失数据；各个主器件没有优先级别之分，总线控制权是随机裁定的，即使是抢先发送启动信号的主器件1最终也并没有得到控制权。系统实际上遵循的是“低电平优先”的仲裁原则，将总线判给在数据线上先发送低电平的主器件，而其他发送高电平的主器件将失去总线控制权。一、数据位的有效性规定I2C总线在时钟信号为高电平期间，进行数据传送（读写）时，所以此时间段内数据线上的数据必须保持稳定。亦即：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，所以在向SDA上送数据之前，要将SCL置为低，等待数据稳定后，将SCL置为高，再进行读写。8.1.2I2C总线的数据传送二、起始和终止信号初始化时（总线空闲时）SCL、SDA均为高电平。在SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；在SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。可以理解为什么前面说：在SCL线为高电平期间，进行读写，此时SDA线的数据必须稳定。起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。三、数据传送格式（1）字节传送与应答每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一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），但是应答位由从机（即接收器）发出的。发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号（发送端在发送一个字节数据后，要在SCL第9个脉冲来临前把SDA拉高，以等待接收端发来ACK信号）。三、数据传送格式（1）字节传送与应答在第9个SCL时钟周期的高电平期间，读SDA，若为低电平表示应答（接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平），若为高电平表示非应答（从机输出高电平）或无应答（从机无任何输出）。所以检测非应答时，要通过持续循环一定长的时间，检测SDA是否为高，因为从机的反应速度慢。非应答信号的使用由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。非应答信号的使用如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。主机检测到从机应答信号后才能进行下一次操作，如检测到非应答信号主机则发出终止信号，结束数据的传送，或重发数据。主机收到应答信号后，若无数据传送，也可发终止信号，结束传送。（2）数据帧格式I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。工作过程1.主设备向从设备发送数据主设备发送起始位，这会通知总线上的所有设备传输开始了，接下来主机发送设备地址，与这一地址匹配的slave将继续这一传输过程，而其它slave将会忽略接下来的传输并等待下一次传输的开始。主设备寻址到从设备后，发送它所要写入的从设备的内部寄存器地址；之后，发送数据。数据发送完毕后，发送停止位。写入过程如下：①发送起始位。②发送从设备的地址和读/写选择位。③释放总线，等到EEPROM拉低总线进行应答（如果EEPROM接收成功，则进行应答；若没有握手成功或者发送的数据错误时EEPROM不产生应答，此时重发或者终止，转到1或7）。④发送想要写入的内部寄存器地址。⑤EEPROM对其发出应答（若无应答，转到1或7）。写入过程如下：⑥发送数据。（可向一个连续地址区域发送多个字节的数据，不需要再写入内部地址，因为每传送一个字节（并有应答信号），内部存储地址会自加1，但每个字节的数据都要有应答信号，才能去发下一个字节）⑦发送停止位。⑧EEPROM收到停止信号后，进入到一个内部的写入周期，大概需要10ms，此间任何操作都不会被EEPROM响应（所以在两次写入之间要插入一个延时，否则会导致失败）。工作过程2.主控器读取数据的过程：读的过程比较复杂，在从slave读出数据前，你必须先要告诉它哪个内部寄存器是你想要读取的，因此必须先对其进行写入(dummywrite)：先写入从器件设备地址（对设备寻址）以及从器件内部地址（对设备内部存储单元寻址），然后再写一遍从器件设备地址设置第8位数据传送方向位为1（R），通知从设备发送数据。读入过程如下：①发送起始位；②发送slave地址+writebitset；③发送内部寄存器地址；④重新发送起始位，即restart；⑤重新发送slave地址+readbitset；⑥读取数据的主机接收器，在接收到最后一个字节后，发出NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，于是，从机发送器释放SDA线，以便主机发出终止信号结束传输（当单片机作为接收端时，如果接收多个字节数据，那么，在每接收完一字节的数据后，都要发送应答信号，最后一个字节除外）。⑦主机发送停止位在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A表示应答，A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。。这里的“数据”是指广义的数据，可以是从机内部地址也可以是数据b、主机从从机读数据c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相（见上图）。四、总线的寻址I2C总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。（1）寻址字节的位定义D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。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，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位，3位是可编程位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。一、典型信号模拟为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终