瑞萨RA系列FSP库开发实战指南之I2C通讯协议的物理层和协议层简介

21.1

I2C简介

I2C通讯协议（Inter-Integrated Circuit）是由 Philips公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路（IC）间的通讯。

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；瑞萨的FPS库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。

对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。

简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。

21.1.1

I2C物理层

I2C通讯设备之间的常用连接方式见图22_1。

图22‑1 常见的I2C通讯系统

它的物理层有如下特点：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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，高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。

（7）连接到相同总线的IC数量受到总线的最大电容400pF限制。

21.1.2

协议层

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

21.1.2.1

I2C基本读写过程

先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图22_2、图22_3及图22_4。

图22‑2 主机写数据到从机

图22‑3 主机由从机中读数据

图22‑4 I2C通讯复合格式

图例

数据由主机传输至从机

S：传输开始信号

SLAVE_ADDRESS：从机地址

数据由从机传输至主机

R/W-：传输方向选择位，1为读，0为写

A/A-：应答（ACK）或非应答（NACK）信号

P：停止传输信号

这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。

其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号（S），这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号（SLAVE_ADDRESS）。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是7位或10位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，从机会返回一个应答（ACK）或非应答（NACK）信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

写数据

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据（DATA），数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号（ACK），重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号（P），表示不再传输数据。

读数据

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据（DATA），数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号（ACK），重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号（NACK），则从机自动停止数据传输。

读和写数据

除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号（S）。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址（注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别）；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

22.1.2.2. 通讯的起始和停止信号

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 22‑5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

图 22‑5 起始和停止信号

22.1.2.3. 数据有效性

I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图22_6。 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。

图 22‑6 数据有效性

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

22.1.2.4. 地址及数据方向

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。 紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/)，第8位或第11位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据， 该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图22_7。

图 22‑7 设备地址(7位)及数据传输方向

读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号；写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

22.1.2.5. 响应

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，发送方不会继续发送下一个数据，之后主机会产生一个停止的信号，并且结束信号传输。见图22_8。

图 22‑8 响应与非响应信号

传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。