I2C总线 | 百度百科

工作原理

特征

数据传输

字节格式

应答响应

时钟同步

模式

快速模式

高速模式

参考资料

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件．然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。 [1]

工作原理

SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）都是双向I/O线，接口电路为开漏输出．需通过上拉电阻接电源VCC．当总线空闲时．两根线都是高电平，连接总线的外同器件都是CMOS器件，输出级也是开漏电路．在总线上消耗的电流很小，因此，总线上扩展的器件数量主要由电容负载来决定，因为每个器件的总线接口都有一定的等效电容．而线路中电容会影响总线传输速度．当电容过大时，有可能造成传输错误．所以，其负载能力为400pF，因此可以估算出总线允许长度和所接器件数量。

特征

I2C总线特点可以概括如下：

(1)在硬件上，I2C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线，总线接口已经集成在芯片内部，不需要特殊的接口电路，而且片上接口电路的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺．因此I2C总线简化了硬件电路PCB布线，降低了系统成本，提高了系统可靠性。因为I2C芯片除了这两根线和少量中断线，与系统再没有连接的线，用户常用IC可以很容易形成标准化和模块化，便于重复利用。
(2)I2C总线是一个真正的多主机总线，如果两个或多个主机同时初始化数据传输，可以通过冲突检测和仲裁防止数据破坏，每个连接到总线上的器件都有唯一的地址，任何器件既可以作为主机也可以作为从机，但同一时刻只允许有一个主机。数据传输和地址设定由软件设定，非常灵活。总线上的器件增加和删除不影响其他器件正常工作。
(3)I2C总线可以通过外部连线进行在线检测，便于系统故障诊断和调试，故障可以立即被寻址，软件也利于标准化和模块化，缩短开发时间。
(4)连接到相同总线上的IC数量只受总线最大电容的限制，串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100Kbit/s，快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3．4Mbit/s。
(5)总线具有极低的电流消耗．抗高噪声干扰，增加总线驱动器可以使总线电容扩大10倍，传输距离达到15m；兼容不同电压等级的器件，工作温度范围宽。 [3]

数据传输

模式

快速模式

快速模式器件可以在400kbit/s 下接收和发送。最小要求是：它们可以和400kbit/s 传输同步，可以延长SCL 信号的低电平周期来减慢传输。快速模式器件都向下兼容，可以和标准模式器件在0~100kbit/s 的I2C 总线系统通讯。但是，由于标准模式器件不向上兼容，所以不能在快速模式I2C 总线系统中工作。快速模式I2C 总线规范与标准模式相比有以下特征：

1、最大位速率增加到400kbit/s；
2、调整了串行数据（SDA）和串行时钟（SCL ）信号的时序；
3、快速模式器件的输入有抑制毛刺的功能，SDA 和SCL输入有施密特触发器；
4、快速模式器件的输出缓冲器对SDA 和SCL 信号的下降沿有斜率控制功能；
5、如果快速模式器件的电源电压被关断，SDA 和SCL 的I/O 管脚必须悬空，不能阻塞总线；
6、连接到总线的外部上拉器件必须调整以适应快速模式I2C 总线更短的最大允许上升时间。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，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。

高速模式

高速模式（Hs 模式）器件对I2C 总线的传输速度有巨大的突破。Hs 模式器件可以在高达3.4Mbit/s 的位速率下传输信息，而且保持完全向下兼容快速模式或标准模式（F/S 模式）器件，它们可以在一个速度混合的总线系统中双向通讯。

Hs 模式传输除了不执行仲裁和时钟同步外，与F/S 模式系统有相同的串行总线协议和数据格式。

高速模式下I2C 总线规范如下：

1、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。这个电流源电路缩短了SCLH 信号的上升时间，任何时候在Hs 模式，只有一个主机的电流源有效；
2、在多主机系统的Hs 模式中，不执行仲裁和时钟同步，以加速位处理能力。仲裁过程一般在前面用F/S 模式传输主机码后结束；
3、Hs 模式主机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；
4、可以选择Hs 模式器件有内建的电桥。在Hs 模式传输中，Hs 模式器件的高速数据（SDAH）和高速串行时钟（SCLH ）线通过这个电桥与F/S 模式器件的SDA 和SCL 线分隔开来。减轻了SDAH 和SCLH 线的电容负载，使上升和下降时间更快；
5、Hs 模式从机器件与F/S 从机器件的唯一差别是它们工作的速度。Hs 模式从机在SCLH 和SDAH输出有开漏输出的缓冲器。SCLH 管脚可选的下拉晶体管可以用于拉长SCLH 信号的低电平，但只允许在Hs 模式传输的响应位后进行；
6、Hs 模式器件的输出可以抑制毛刺，而且SDAH 和SCLH 输出有一个施密特触发器；
7、Hs 模式器件的输出缓冲器对SDAH 和SCLH 信号的下降沿有斜率控制功能。

参考资料

1. 陈小忠黄宁赵小侠编著．单片机接口技术实用子程序：人民邮电出版社，2005年09月
2. 王卫星主编．单片机原理与接口技术：中国农业出版社，2013.08
3. 陈启军，余有灵，张伟等编著．嵌入式系统及其应用：基于CORTEX-M3内核和STM32F系统微控制器的系统设计与开发（第2版）：同济大学出版社，2014.02