I2C总线时序与数据传输

16．1．2 I2C总线时序与数据传输

当I2C总线处在空闲状态时，因为各设备都是开漏输出，所以在上拉电阻的作用下，SDA和SCL均为高电平。I2C总线上启动一次数据传输过程的标志为主机发送的起始信号，起始信号的作用是通知从机准备接收数据。当数据传输结束时，主机需要发送停止信号，通知从机停止接收。因此，一次数据传输的整个过程由从起始信号开始，到停止信号结束。同时这两个信号也是启动和关闭I“C设备的信号。图16—2是I2C总线时序示意图，图中最左边和最右边给出了起始信号和停止信号的时序条件。

＞起始信号时序：当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变到低电平。

＞停止信号时序：当SCL为高电平时，SDA由低电平跳变到高电平。

I2C总线规定，当SCL为高电平时，SDA的电平必须保持稳定不变的状态，只有当SCL 处在低电平时，才可以改变SDA的电平值，但起始信号和停止信号是特例。因此，当SCL 处于高电平时，SDA的任何跳变都会被识别成为一个起始信号或停止信号。

因此在I2C总线上的数据传输过程中，数据信号线5DA的变化只能发生在SCL为低电平的期间内。从图16—2中间部分的时序中．可以清楚地看到这一点。

在I2C总线的数据传输过程中，发送到SDA信号线上的数据以字节为单位，每个字节必须为8位，而且是高位在前，低位在后，每次发送数据的字节数量不受限制。

但在这个数据传输过程中需要着重强调的是，当发送方发送完每一字节后，都必须等待接收方返回一个应答响应信号ACK，如图16—3所示。

响应信号ACK宽度为1位，紧跟在8个数据位后面，所以发送1字节的数据需要9个SCL时钟脉冲。响应时钟脉冲也是由主机产生的，主机在响应时钟脉冲期间释放SDA线，使其处在高电平(见图16—3上面的信号)。而在响应时钟脉冲期间，接收方需要将SDA拉低，使SDA在响应时钟脉冲高电平期间保持稳定的低电平(见图16—3中间的信号)。

实际上，图16—3中上面和中间的两个信号应该“线与”后呈现在SDA上的。由于在这个过程中存在比较复杂的转换过程，所以将它们分开便于在下面做更仔细的分析。

＞主机控制驱动SCL，发送9个时钟脉冲，前8个为传输数据所用，第9个为响应时钟脉冲(见图16—3下面的信号)。

＞在前8个时钟脉冲期间，发送方作为发送器，控制SI)A输出8位数据到接收方。

＞在前8个时钟脉冲期间，接收方作为接收器，处在输入的状态下，检测接收SDA上的6位数据。

＞在第9个时钟脉冲期间，发送方释放SDA，此时发送方由先前的发送器转换成为接收器。

＞在第9个时钟脉冲期间，接收方则从先前的接收器转换成为发送竭控制SDA，输出ACK信号。

＞在第9个时钟脉冲期间，发送方作为接收器，处在输入的状态下，检测接收SDA上酌ACK信号。

＞最后，发送和接收双方都依据应答信号的状态(ACK／nACK)，各自确定下一步的角色转换，以及如何动作。

在上面的分析过程中，使用了发送方和接收方来表示通信的双方，而没有使用主机和从机的概念，这是因为数据的发送可以是主机，也可以是从机。因此，不管是主机作为接收方，还是从机为接收方，在响应时钟脉冲期间都必须回送应答信号。

应答信号的状态有2个：低电平用ACK表示，代表有应答；高电平用nACK表示，代表天应答。应答信号在I2C总线的数据传输过程中起着非常重要的作用，它将决定总线及连接在总线上设备下一步的状态和动作。一旦在应答信号上发生错误，例如接收方不按规定返回或返回不正确的应答信号，以及发送方对应答信号的误判，都将造成总线通信的失败。

16．1．3 I2C总线寻址与通信过程

前面已经介绍过I2C总线是支持多机通信的数据总线，每一个连接在总线上的从机设备或器件都有一个唯一独立的地址，以便于主机寻访。

I2C总线上的数据通信过程是由主机发起的，以主机控制总线，发出起始信号作为开始。在发送起始信号后，主机将发送一个用于选择从机设备的地址字节，以寻址总线中的某一个从机设备，通知其参与同主机之间的数据通信。地址字节的格式如下：

地址字节的高7位数据是主机呼叫的从机地址，第8位用于标示紧接下来的数据传输方向：“0”表示要从机准备接收主机下发数据(主机发送／从机接收)；而“l，，则表示主机向从机读取数据(主机接收／从机发送)。

当主机发出地址字节后，总线上所有的从机都将起始信号后的7位地址与自己的地址进行比较：如果相同，则该从机确认自己被主机寻址；而那些本机地址与主机下发的寻呼地址不匹配的从机，则继续保持在检测起始信号的状态，等待下一个起始信号的到来。

被主机寻址的从机，必须在第9个SCK时钟脉冲期间拉低SDA，给出ACK回应，以通知主机寻址成功。然后，从机将根据地址字节中第8他的指示，将自己转换成相应的角色(0—从机接收器；1—从机发送器)，参与接下来的数据传输过程。

图16—4所示为在I2C总线上一次数据传输的示例，它实现了简单的操作：主机向从机读取1字节。图中描述了整个数据传输的全部过程，给出了I2C总线上的时序变化，SDA 上的数据情况、以及发送、接收双方相互转换与控制SDA的过程。

＞主机控制SDA。在I2C总线上产生起始信号，同时控制SCL，发送时钟脉冲。在整个传输过程中，SCL都是由主机控制的。

＞主机发送器发送地址字节。地址字节的第8位为“1”。表示准备向从机读取数据。主机在字节发送完成后，放弃对5DA的控制，进入接收检测ACK的状态。

＞所有从机在起始信号后为从机接收器，接收地址字节，与自己地址比对。

＞被寻址的从机在第9个SCL时钟脉冲期间控制SDA．将其拉低，给出ACK应答。

＞主机检测到从机的ACK应答后、转换成主机接收器。准备接收从机发出的数据。

＞从机则根据第8位“1”的设定，在第2个字节的8个时钟脉冲期间作为从机发送器控制SDA。发送1字节的数据。发送完成后放弃对SDA的控制，进入接收检测ACK的状态。

＞在第2个字节的8个传输时钟脉冲期间，主机接收器接收从机发出的数据。当接收到d0位后，主机控制SDA，将其拉低，给出ACK应答。

＞从机接收检测主机的ACK应答c如果是ACK，则难备发送1个新的字节数据；如果是nACK，则转入检测下一个起始信号的状态。

＞在这个示例中，主机收到l字节数据后，转成主机发送器控制SDA，在发出ACK应答信号后，马上发出停止信号，通知本次数据传输结束。

＞从机检测到停止信号，转入检测下一个起始信号的状态。

以上介绍了I2C总线基本的特性、操作时序和通信规范，这些概念对了解、掌握、应用I2C总线尤为重要。这是因为I2C总线在硬件连接上非常简单，只要将所有器件和设备的SDA、SCL并在一起就可以了，但复杂的通信规范的实现，往往需要软件的控制。尽管A VR 的TWI接口在硬件层面上实现了更多的I2C底层协议和数据传送与接收的功能，但对于什么时间发出起始信号、停止信号，如何返回应答信号，以及主／从机之间的发送／接收器的相互转换，还是需要程序员根据实际情况，编写相应的、正确的系统程序才能实现。

关于I2C总线更多的特性，例如多主机的总线竞争与仲裁等，本书将不做介绍，有兴趣的读者可以通过本书所附光盘中的参考资料《I2C总线规范》进一步地深入学习。