集成电路互连总线I2C

集成电路互连总线I2C主要内容1.1I2C总线通用知识1.2I2C总线的硬件相关术语与典型电路1.3I2C总线数据通信协议概要1.4主机向从机读/写1个字节数据的过程1.5关于I2C的进一步讨论1.1I2C总线通用知识1.1.1I2C总线的历史概况与特点I2C（Inter-IntegratedCircuit）总线标准的历史概况1992年PHILIPS首次发布I2C总线规范Version1.01998年PHILIPS发布I2C总线规范Version2.0，至此标准模式和快速模式的I2C总线已经获得了广泛应用，标准模式传输速率为100kbps，快速模式400kbps。同时，I2C总线也由7位寻址发展到10位寻址，满足了更大寻址空间的需求2001年PHILIPS又发布了I2C总线规范Version2.1，完善和扩展了I2C总线的功能，并提出了传输速率可达3.4Mbps的高速模式，这使得I2C总线能够支持现有及将来的高速串行传输，如EEPROM和Flash存储器等I2C总线特点在硬件上，二线制的I2C串行总线使得各IC只需最简单的连接，而且总线接口都集成在IC中，不需另加总线接口电路I2C总线还支持多主控（multi-mastering）串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbps，快速模式下可达400kbps，高速模式下可达3.4Mbps连接到相同总线的IC数量只受到总线最大电容（400pf）的限制。但如果在总线中加上82B715总线远程驱动器可以把总线电容限制扩展十倍，传输距离可增加到15m1.2I2C总线的硬件相关术语与典型电路I2C总线硬件相关术语主机（主控器）：在I2C总线中，提供时钟信号，对总线时序进行控制的器件从机（被控器）：在I2C系统中，除主机外的其它设备均为从机地址：每个I2C器件都有自己的地址，以供自身在从机模式下使用发送器：发送数据到总线的器件接收器：从总线接收数据的器件SDA（SerialDAta）：串行数据线SCL（SerialCLock）：串行时钟线I2C总线的典型电路下图给出一个由MCU作为主机，通过I2C总线带3个从机的单主机I2C总线系统。这是最常用、最典型的I2C总线连接方式I2C总线的典型连接1.3I2C总线数据通信协议概要I2C总线上数据的有效性I2C总线以串行方式传输数据，从数据字节的最高位开始传送，每个数位在SCL上都有一个时钟脉冲相对应。在一个时钟周期内，当时钟线高电平时，数据线上必须保持稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。当时钟信号为低电平时，才允许数据线上的电平状态变化I2C总线上数据的有效性I2C总线上的信号类型开始信号（START）：如下（图1）当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，产生开始信号。当总线空闲的时候（例如没有主动设备在使用总线，即SDA和SCL都处于高电平），主机通过发送开始信号（START）建立通信停止信号（STOP）：如下（图1）当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平的跳变，产生停止信号。主机通过发送停止信号，结束时钟信号和数据通信。SDA和SCL都将被复位为高电平状态重新开始信号（RepeatedSTART）：在I2C总线上，由主机发送一个开始信号启动一次通信后，在首次发送停止信号之前，主机通过发送重新开始信号，可以转换与当前从机的通信模式，或是切换到与另一个从机通信。如下（图1）所示，当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，产生重新开始信号，它的本质就是一个开始信号图1：开始、重新开始和停止信号应答信号（A）：接收数据的IC在接收到8位数据后，向发送数据的IC发出的特定的低电平脉冲。每一个数据字节后面都要跟一位应答信号，表示已收到数据I2C总线的应答信号I2C总线上数据传输格式一般情况下，一个标准的I2C通信由四部分组成：开始信号、从机地址传输、数据传输和结束信号。I2C总线上传送的每一个字节均为8位，首先发送的数据位为最高位，每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，每次通信的数据字节数是没有限制的；在全部数据传送结束后，由主机发送停止信号，结束通信I2C总线的数据传输格式I2C总线寻址约定为了消除I2C总线系统中主控器与被控器的地址选择线，最大限度地简化总线连接线，I2C总线采用了独特的寻址约定，规定了起始信号后的第一个字节为寻址字节，用来寻址被控器件，并规定数据传送方向。在I2C总线系统中，寻址字节由被控器的7位地址位（D7～D1位）和一位方向位（D0位）组成。方向位为0时，表示主控器将数据写入被控器，为1时表示主控器从被控器读取数据。主控器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时总线上的所有器件都将寻址字节中的7位地址与自己器件地址比较。如果两者相同，则该器件认为被主控器寻址，并发送应答信号，被控器根据数据方向位（R/W）确定自身是作为发送器还是接收器。1.4主机向从机读/写1个字节数据的过程主机向从机写1个字节数据的过程主机要向从机写1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从机地址，这个地址共有7位，紧接着的第8位是数据方向位（R/W），0表示主机发送数据（写），1表示主机接收数据（读），这时候主机等待从机的应答信号（ACK），当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的响应信号，当主机收到响应信号时，发送1个字节的数据，继续等待从机的响应信号，当主机收到响应信号时，产生停止信号，结束传送过程。主机向从机写数据主机从从机读1个字节数据的过程当主机要从从机读1个字节数据时，主机首先产生START信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为0，表明是向从机写命令，这时候主机等待从机的应答信号（ACK），当主机收到应答信号时，发送要访问的地址，继续等待从机的应答信号，当主机收到应答信号后，主机要改变通信模式，所以主机发送重新开始信号，然后紧跟着发送一个从机地址，注意此时该地址的第8位为1，表明将主机设置成接收模式开始读取数据，这时主机等待从机的应答信号，当主机收到应答信号时，就可以接收1个字节的数据，当接收完成后，主机发送非应答信号，表示不再接收数据，主机进而产生停止信号，结束传送过程。主机从从机读数据*AW60的I2C模块寄存器AW60的I2C模块相关寄存器寄存器名称缩写地址访问权限基本功能地址寄存器I2C1A0x00000058读/写设置从机地址分频寄存器I2C1F0x00000059读/写设置I2C模块的工作频率等控制寄存器I2C1C0x0000005A读/写设置传输格式、中断使能等状态寄存器I2C1S0x0000005B读/写表明I2C模块的工作状态数据I/O寄存器I2C1D0x0000005C读/写收发数据I2C地址寄存器I2C地址寄存器（I2CAddressRegister，I2C1A）D7～D1—ADR7～ADR1为MCU作为从机时的从机地址。当主机在I2C总线上发送从机地址寻址从机，MCU作为从机设备时，将该地址与I2C1A的高7位比较，查看自己是否被主机选中D0—保留位。该位是为了将来的兼容性而设置的保留位，读出总是0。写I2C1A时，D0位不使用数据位D7D6D5D4D3D2D1D0数据地址0/不用复位00000000I2C分频寄存器I2C分频寄存器（I2CFrequencyDividerRegister，I2C1F）用于产生相应的分频因子I2C分频寄存器的高2位MULT定义了增频因子a，a和SCL的分频因子配合使用，产生I2C波特率。当MULT为00、01、10时，a的值分别为1、2、4；MULT=11不使用I2C的低6位定义了I2C时钟速率(ICR)，这6位用来定义SCL分频因子b和SDA保持值，分频因子b乘以增频因子a的值用于产生I2C总线波特率，公式如下：I2C总线波特率=CPU总线频率(Hz)/(a×b)SDA保持时间是从SCL线上时钟的下降沿开始到SDA线上数据稳定这段时间，SDA保持值就是用来计算SDA保持时间的，公式如下：SDA保持时间=CPU总线周期×SDA保持值数据位D7D6D5D4D3D2D1D0定义MULTICR复位00000000ICR中不同的内容对应着不同的SCL分频因子值和不同的SDA保持值，下面举例说明I2C总线波特率和SDA保持时间计算方法设CPU总线频率为8MHz，MULT设置为01(a=2)，要想得到100kbps的I2C总线波特率，则计算过程如下：根据公式：I2C总线波特率=CPU总线频率(Hz)/(a×b)，将已知相应值带入得：100000=8000000/(2×b)，b=40根据SCL分频因子b的值，在表10-2中查找相应的ICR值和SDA保持值，可以看到，当b=40时，ICR=$07或$0B，而相应的SDA保持值=10或9根据公式：SDA保持时间=CPU总线周期×SDA保持值，算得：ICR=$07，SDA保持值=10时，SDA保持时间=1/8000000×10=1.25μsICR=$0B，SDA保持值=9时，SDA保持时间=1/8000000×9=1.125μs较长的SDA保持时间，会降低通信速率，但同时也增加了稳定性，并且能延长设备间的通信距离。编程时应以通信的可靠性为原则，选择合适的SDA保持时间来确定ICR值。如程序中选用SDA保持值=9，就能得到可靠的通信，那么将ICR设定为$0B即可；如果当SDA保持值=9时通信不稳，就选择另一个为10的值进行实验，若通信仍不稳定，在保持I2C总线频率不变的前提下，可通过改变MULT位来调整SDA保持时间I2C控制寄存器I2C控制寄存器（I2CControlRegister，I2C1C）D7—I2CEN(I2CEnable)为I2C使能位D6—I2CIE(I2CInterruptEnable)为I2C中断请求允许位D5—MST(MasterModeSelect)为主模式选择位D4—TX(TransmitModeSelect)为发送模式选择位D3—TXAK(TransmitAcknowledgeEnable)为发送应答使能位D2—RSTA(RepeatSTART)位，当MCU在主机模式下，向该位写1，将产生一个重新开始信号。该位读出时总是0D1～D0—读I2C1C时，D1、D0位为0；写I2C1C时，D1、D0位不使用数据位D7D6D5D4D3D2D1D0定义I2CENI2CIEMSTTXTXAK0/RSTA0/不用0/不用复位00000000I2C状态寄存器I2C状态寄存器（I2CStatusRegister，I2C1S）D7—TCF(TransferCompleteFlag)为发送完成标志位D6—IAAS(AddressedasaSlave)为地址被选择标志位D5—BUSY(BusBusy)为总线忙标志位D4—ARBL(ArbitrationLost)为仲裁丢失标志位D3—读I2C1S时，D3位为0；写I2C1S时，D3位不使用D2—SRW(SlaveRead/Write)为从机读写标志位D1—I2CIF(I2CInterruptFlag)为I2C中断标志位。I2CIF位可读可写D0—RXAK(ReceiveAcknowledge)为接收应答标志位数据位D7D6D5D4D3D2D1D0读TCFIAASBUSYARBL0SRWI2CIFRXAK写未定义未定义未定义未定义未定义复位00000000I2CI/O数据寄存器I2CI/O数据寄存器（I2CDataI/ORegister，I2C1D）在主机发送模式下，将数据写入I2C1D就初始化了数据发送，先发送数据字节的最高位。在主机接收模式下，读该寄存器，准备接收从机发往总线上的数据字节。该寄存器在MCU为从机模式时仍具有相同功能。值得注意的是，当MCU要从主接收模式变为主发送模式时，应在从I2C1D寄存器读取数据之前，进行模式转换。数据位D7D6D5D4D3D2D1