I2C总线的基本工作原理

I2C(Inter－Integrated
Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设
备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系
统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。

　　1 I2C总线特点

　　I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空
间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，
其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

　　2 I2C总线工作原理

　　2.1 总线的构成及信号类型

　　I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控
IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，
所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所
要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比
度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

　　I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

　　开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

　　结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

　　应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表
示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未
收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

　　目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。

　　3 总线基本操作

　　I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为
接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低
电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

　　3.1 控制字节

　　在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。

　　3.2 写操作

　　写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。

　　3.3 读操作

　　读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

　　在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点 :

　　1） 严格按照时序图的要求进行操作，

　　2） 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻。

　　3） 程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。

　　4） 为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断EEPROM是否被意外改写。

　　添加：I2C 总线

　　在现代电子系统中，有为数众多的IC 需要进行相互之间以及与外界的通信。为了提供

　　硬件的效率和简化电路的设计，PHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串

　　行总线I2C(inter IC 总线)。I2C 总线支持任何一种IC 制造工艺，并且PHILIPS 和其他厂商

　　提供了种类非常丰富的I2C 兼容芯片。作为一个专利的控制总线，I2C 已经成为世界性的工

　　业标准。

　　每个I2C 器件都有一个唯一的地址，而且可以是单接收的器件（例如：LCD 驱动

　　器）或者可以接收也可以发送的器件（例如：存储器）。发送器或接收器可以在主模式

　　或从模式下操作，这取决于芯片是否必须启动数据的传输还是仅仅被寻址。I2C 是一个

　　多主总线，即它可以由多个连接的器件控制。

　　早期的I2C 总线数据传输速率最高为100Kbits/s，采用7 位寻址。但是由于数据传

　　输速率和应用功能的迅速增加，I2C 总线也增强为快速模式（400Kbits/s）和10 位寻址

　　以满足更高速度和更大寻址空间的需求。

　　I2C 总线始终和先进技术保持同步，但仍然保持其向下兼容性。并且最近还增加了

　　高速模式，其速度可达3.4Mbits/s。它使得I2C 总线能够支持现有以及将来的高速串行

　　传输应用，例如EEPROM 和Flash 存储器。

I2C总线的基本工作原理
　　在I2C总线的数据传输过程中，主控器和被孔器工作在两个相反的状态 并且在一次通信过程中一股不发生转换；

　　1. 主控器为发送器（主控发送器）时被控器为接收器（被控接收器）；

　　2. 主控器为接收器（主控炫收器）时被控器为发送器（被控发送器）。

　　图所下为一次完整的通信过程时序，在I2C总线上进行的每一次通信过程，都存在在如下规律：

　　1. 由主控器主动发起，并且以发送启动信号S和停止信号P分别来掌管总线和释放总线。

　　2. 通信过程都是以启动信号S开始、以停止信号P结束。

　　3. 传送的数据字节数没有限制。

　　4. 主控器在启动信号后紧接着发送一个地址字节，其实包含7位被控器地址码和1位读／写控制位R／W。

　　5. 读／写控制位R／W（或称作方向位）用于通知被控器数据传送的方向，0表示这次通信是由主控器向被控器写数据，1表示这次通信是主控器从被控器读数据。

　　6. 每传送1个地址字节或数据字节共需要9个时钟脉冲， 其中第1～8个时钟脉冲对应的是由发送器向接收器发送的信息，笫9个脉冲对应的是由接收器句发送器反馈的一个应答位ACK。

　　7. 所有挂接到I2C总线上的被控器件都接收启动信号后的地址字节，并且把接收到的7位地址码与自己的地址进行比较，如果相符即为主控器寻址的被控器，在第9个时钟脉冲期间反馈应答信号。

　　8. 每个数据字节在传送时都是高位（MSB）在前。