单片机：I2C串行总线的组成及工作原理.ppt

1I2C串行总线的组成及工作原理2I2C串行总线概述 I2C总线，是INTER-IC串行总线的缩写INTER-IC意思是用于相互作用的集成电路，这种集成电路主要由双向串行时钟线SCL和双向串行数据线SDA两条线路组成 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SCL3 I2C总线通过上拉电阻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I2C串行总线概述4 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，这时主机即为发送器由总线上接收数据的器件则为接收器 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 在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况 I2C串行总线概述主机：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，它可以是发送器或接收器。

主机通常是微处理器从机：被主机寻址的器件，它可以是发送器或接收器， 5一、数据位的有效性规定 I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，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I2C总线的数据传送6二、起始和终止信号 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；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 I2C总线的数据传送 I2C总线中唯一违反上述数据有效性的是被定义为起始（S）和停止（P）条件 7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 对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次 I2C总线的数据传送8 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 I2C总线的数据传送9三、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） I2C总线的数据传送10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I2C总线的数据传送11（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。

I2C总线的数据传送 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/W）:用“0”表示主机发送数据（T），用“1”表示主机接收数据（R）12A、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表示非应答（高电平）S表示起始信号，P表示终止信号 在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：I2C总线的数据传送13B、主机在第一个字节(寻址字节)后，立即由从机读数据I2C总线的数据传送 在从机产生响应时，主机从发送变成接收，从机从接收变成发送之后，数据由从机发送，主机接收，每个应答由主机产生，时钟信号仍由主机产生若主机要终止本次传输，则发送一个非应答信号(A)，接着主机产生停止条件 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14四、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 D7D1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。

I2C总线的数据传送15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/W位将自己确定为发送器或接收器I2C总线的数据传送 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 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16（2）寻址字节中的特殊地址 固定地址编号0000和1111已被保留作为特殊用途 I2C总线的数据传送17 起始信号后的第一字节的8位为“0000 0000”时，称为通用呼叫地址通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明格式为： 第二字节为 06H时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分能响应命令的从机器件复位时不拉低SDA和SCL线，以免堵塞总线第二字节为 04H时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位，但不进行复位I2C总线的数据传送18I2C总线仲裁与时钟发生 在多主的通信系统中。

总线上有多个节点，它们都有自己的寻址地址，可以作为从节点被别的节点访问，同时它们都可以作为主节点向其它的节点发送控制字节和传送数据但是如果有两个或两个以上的节点都向总线上发送启动信号并开始传送数据，这样就形成了冲突要解决这种冲突，就要进行仲裁的判决，这就是I2C总线上的仲裁 I2C总线上的仲裁分两部分：SCL线的同步和SDA线的仲裁 19I2C总线仲裁与时钟发生 SCL线的同步（时钟同步） SCL同步是由于总线具有线“与”的逻辑功能，即只要有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平由于线“与”逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号这就是SCL的同步原理 当所有的节点都发送高电平时，总线才能表现为高电平20I2C总线仲裁与时钟发生 SDA仲裁 SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的 节点在发送1位数据后，比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致是，继续发送；否则，退出竞争 SDA线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线21I2C总线仲裁与时钟发生 仲裁过程 DATA1和DATA2分别是主节点向总线所发送的数据信号； SDA为总线上所呈现的数据信号，SCL是总线上所呈现的时钟信号。

22I2C总线仲裁与时钟发生 仲裁过程 当主节点1、2同时发送起始信号时，两个主节点都发送了高电平信号这时总线上呈现的信号为高电平，两个主节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据23I2C总线仲裁与时钟发生 仲裁过程 第2个时钟周期，2个主节点都发送低电平信号，在总线上呈现的信号为低电平，仍继续发送数据24I2C总线仲裁与时钟发生 仲裁过程 在第3个时钟周期，主节点1发送高电平信号，而主节点2发送低电平信号根据总线的线“与”的逻辑功能，总线上的信号为低电平，这时主节点1检测到总线上的数据和自己所发送的数据不一样，就断开数据的输出级，转为从机接收状态25I2C总线仲裁与时钟发生 仲裁过程 这样主节点2就赢得了总线，而且数据没有丢失，即总线的数据与主节点2所发送的数据一样，而主节点1在转为从节点后继续接收数据，同样也没有丢掉SDA线上的数据因此在仲裁过程中数据没有丢失26I2C总线仲裁与时钟发生总结：SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的 仲裁过程。