I2C

简介

I2C（内部集成电路）是一种串行通信协议，允许将多个设备连接到一条总线上

I2C物理层

·它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

·一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

·每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

·总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

·多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

·具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

I2C协议层

以主机向从机写数据为例，其基本结构如图所示，依次为：
起始信号——从机地址——读写信号——数据位——应答位——… … ——停止位

起始信号(S)：当 SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换；停止信号(P)：当 SCL 是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换。

帧地址：I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。

I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。

作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。

I2C功能框图剖析

时钟控制逻辑：

SCL线的时钟信号，由I2C接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。配置I2C的CCR寄存器可修改通讯速率相关的参数。

可选择I2C通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别I2C对应100/400Kbit/s的通讯速率。

在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选Tlow/Thigh=2或Tlow/Thigh=16/9模式，我们知道I2C协议在SCL高电平时对SDA信号采样，SCL低电平时SDA准备下一个数据，修改SCL 的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，随便选就可以了。

CCR寄存器中还有一个12位的配置因子CCR，它与I2C外设的输入时钟源共同作用，产生SCL时钟，STM32的I2C外设都挂载在APB1总线上，使用APB1的时钟源PCLK1，SCL信号线的输出时钟公式如下：

例如，我们的PCLK1=36MHz，想要配置400Kbit/s的速率，计算方式如下：

PCLK时钟周期：TPCLK1 = 1/36000000

目标SCL时钟周期：TSCL = 1/400000

SCL时钟周期内的高电平时间：THIGH = TSCL/3

SCL时钟周期内的低电平时间：TLOW = 2*TSCL/3

计算CCR的值：CCR = THIGH/TPCLK1 = 30

计算结果得出CCR为30，向该寄存器位写入此值则可以控制IIC的通讯速率为400KHz，其实即使配置出来的SCL时钟不完全等于标准的400KHz，IIC通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由SCL协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。

数据控制逻辑：

I2C的SDA信号主要连到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE计算器运算，运算结果存储在“PEC 寄存器”中。当STM32的I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C设备地址，两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。

整体控制逻辑：

整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

通讯过程

使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

从发送模式：

从接收模式：

I2C

Intro

IC (Inter-Integrated Circuit) is a

Synchronous
multi-master
multi-slave
packet switched
single-ended

serial computer bus invented in 1982 by Philips Semiconductor

It is widely used for attaching lower-speed peripheral Is to processors and microcontrollers in short-distance, intra-board communication.

Inter-Integrated Circuit, or I2C

I2C combines the best features of SPI and UART.
With I2C, we can connect multiple slaves to a single master (like SPI) and we can have multiple masters controlling single, or multiple slaves.
I2C is really useful when you want to have more than one microcontroller logging data to a single memory card or displaying text to a single LCD
Like UART communication, I2C only uses two wires to transmit data between devices

Architecture

Half-duplex, synchronous, multi-master bus
No chip select or arbitration logic required
Serial data (SDA) and Serial clock (SCL)

Features

Each peripheral is known as a “node” and can act as either a master or a slave
The master controls the data transfer and generates the clock signal
The slave is any device addressed by the master
More than one microcontroller can be connected to the bus, and they can claim the master role at different times.
The protocol uses the serial data line (SDA) and serial clock line (SCL) signals to support serial communication of 8-bit data bytes, 7- bit device addresses as well as control information
All data is transferred in blocks of 8 bits (a byte), with no limit on the number of bytes that can be transferred in a message
Each byte is followed by a 1 bit acknowledgement from the receiver.

Definition

Master – the device that initiates communication and controls the clock.

Multiple masters are also supported on an I2C bus.

Slave – a device on the bus that is read or written to, but does not initiate transmission or provide a clock.

Slave address – a unique and predetermined address for each slave on the bus.

This address is used by the master to indicate which slave it wants to communicate with.

SDA (Serial Data) – The line for the master and slave to send and receive data.

SCL (Serial Clock) – The line that carries the clock signal.

I2C is a serial communication protocol, so data is transferred bit by bit along a single wire (the SDA line).
Like SPI, I2C is synchronous（同步的）, so the output of bits is synchronized to the sampling of bits by a clock signal shared between the master and the slave.
The clock signal is always controlled by the master.

Principle

The I2C standard is a serial interface implement with a two- wire link that can support multiple masters and multiple slaves

I2C uses two bi directional open collector BJT or open drain of MOSFET lines

It behave like a switch and can have possibly two states- ON or OFF

定义

使用I2C时，数据被转换成messages，messages则被分解为数据帧。每条messages都有一个地址帧，其中包含从站的二进制地址，以及一个或多个包含正在传输的数据的数据帧。该消息还包括每个数据帧之间的启动和停止条件，读/写位和ACK / NACK位：

启动条件：在SCL线路从高电平切换到低电平之前，SDA线路从高电平切换到低电平。

停止条件：SCL线路从低电平切换到高电平后，SDA线路从低电平切换到高电平。

地址帧：每个从站唯一的7或10位序列，用于在主站想与之通信时识别从站。

读/写位：单个位，指定主器件是向从器件发送数据(低电压电平)还是从器件请求数据(高电压电平)。

ACK / NACK位：消息中的每个帧后跟一个应答/不应答位。如果成功接收到地址帧或数据帧，则从接收设备向发送方返回ACK位。

地址

I2C没有像SPI这样的从选择线，因此它需要另一种方法让从器件知道数据正在发送给它，而不是另一个从器件。它通过地址来做到这一点。地址帧始终是新消息中起始位之后的第一帧。

主设备将与其通信的从设备的地址发送给与其连接的每个从设备。然后，每个从设备将从主设备发送的地址与其自己的地址进行比较。如果地址匹配，则将低电压ACK位发送回主机。如果地址不匹配，则从器件不执行任何操作，SDA线保持高电平。

The LSB of the address byte is the direction control bit ◦

High = read
Low = write

读/写位

地址帧在末尾包括一个位，用于通知从设备，主设备是想要向其写入数据还是从主设备接收数据。如果主设备想要向从设备发送数据，则读/写位是低电平。如果主设备向从设备请求数据，则该位是高电平。

When the master is writing to a slave, the master sends the 8-bits of data and the slave produces the ACK/NACK signal.
When the master is reading from a slave, the slave sends the 8-bits of data and the master produces the ACK/NACK

signal.

数据框架

在主设备检测到来自从设备的ACK位之后，准备好发送第一个数据帧。

数据帧始终为8位长，并以最高有效位先发送。紧接着每个数据帧的ACK / NACK位以验证帧已被成功接收。在发送下一个数据帧之前，主机或从机必须接收ACK位(取决于发送数据的人)。

在发送了所有数据帧之后，主设备可以向从设备发送停止条件以停止传输。停止条件是SCL线上从低电平到高电平转换后，SDA线上从低电平变为高电平，SCL线保持高电平。

特点

一主多从

由于I2C使用寻址，因此可以从单个主设备控制多个从设备。使用7位地址，可以使用128(27)个唯一地址。使用10位地址并不常见，但提供1,024(210)个唯一地址。要将多个从器件连接到单个主器件，请像这样连接它们，使用4.7K欧姆上拉电阻将SDA和SCL线连接到Vcc

多主多从

多个主设备可以连接到单个从设备或多个从设备。当两个主设备尝试通过SDA线同时发送或接收数据时，同一系统中出现多个主设备的问题。为了解决这个问题，每个主设备需要在发送消息之前检测SDA线路是低还是高。如果SDA线为低电平，则表示另一个主控制器已控制总线，主控制器应等待发送消息。如果SDA线路很高，那么传输信息是安全的。要将多个主设备连接到多个从设备，请使用下图，使用4.7K欧姆上拉电阻将SDA和SCL线路连接到Vcc