I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是由Philips公司開發(fā)的一種雙向二線制同步串行總線，它只需要兩條線（SDA，SCL）即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。I2C總線的工作速率有100k、400k和4M三種，支持多機(jī)通訊，支持多主控模塊但同一時(shí)刻只允許有一個(gè)主控端。

SCL（Serial Clock）：邊沿觸發(fā)方式，上升沿將數(shù)據(jù)輸入到EEPROM，下降沿驅(qū)動EEPROM輸出數(shù)據(jù)。

SDA（Serial Data Line）：雙向數(shù)據(jù)線，OD門，每次傳輸8bit。

成都英創(chuàng)ETA202 I2C矩陣鍵盤擴(kuò)展模塊

I2C總線中主要定義如下：

發(fā)送機(jī)（Transmitter）：向總線傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。

接收機(jī)（Receiver）：從總線接收數(shù)據(jù)的設(shè)備。

主機(jī)（Master）：產(chǎn)生時(shí)鐘、啟動發(fā)送、發(fā)送I2C命令、停止發(fā)送的設(shè)備。

從機(jī)（Slave）：監(jiān)聽總線并且被主機(jī)尋址的設(shè)備。

多主控（Multi-master）：總線上可以有多個(gè)主機(jī)，每一個(gè)都可以發(fā)送命令。

仲裁（Arbitration）：在有多個(gè)主機(jī)同時(shí)嘗試控制總線時(shí)，只允許其中一個(gè)控制總線并使報(bào)文不被破壞的過程。

同步（）：兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備同步時(shí)鐘信號的過程。

SCL和SDA信號都是雙向的，他們通過電阻連接到電源上，總線空閑時(shí)兩條線都處于高電平狀態(tài)。I2C總線上的設(shè)備都必須有集電極開路或者漏極開路管腳，激活總線意味著拉低其電平。單個(gè)總線上的設(shè)備數(shù)量幾乎是無限的，唯一的要求是總線電容不超過400pF。由于邏輯1取決于電源電壓的大小，因此沒有標(biāo)準(zhǔn)的總線電壓。

I2C總線掛載設(shè)備示意圖

I2C時(shí)序分析

總線空閑

SDA和SCL兩條信號線都處于高電平，即總線上所有的器件都釋放總線，兩條信號線的上拉電阻把電平拉高。

啟動信號START

時(shí)鐘信號SCL保持高電平，數(shù)據(jù)信號SDA的電平被拉低。啟動信號必須是跳變信號，而且在建立該信號前必須保證總線處于空閑狀態(tài)。

停止信號STOP

時(shí)鐘信號SCL保持高電平，數(shù)據(jù)線被釋放，使SDA返回高電平，停止信號也必須是跳變信號。

I2C啟動信號START與停止信號STOP

應(yīng)答信號ACK

發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)之后，在時(shí)鐘的第9個(gè)脈沖期間釋放數(shù)據(jù)總線，由接收器發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號ACK（將SDA的電平拉低）來表示數(shù)據(jù)成功接收。

無應(yīng)答信號NACK

在時(shí)鐘的第9個(gè)脈沖期間發(fā)送器釋放數(shù)據(jù)總線，而接收器不拉SDA電平，則表示一個(gè)無應(yīng)答信號NACK，NACK有兩種用途：

（1）一般表示接收器未成功接收數(shù)據(jù)字節(jié)。

（2）當(dāng)接收器是主機(jī)時(shí)，它收到最后一個(gè)字節(jié)后，應(yīng)發(fā)送一個(gè)NACK信號，以通知從機(jī)結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放總線，以便主機(jī)發(fā)送停止信號STOP。

數(shù)據(jù)傳輸

每個(gè)時(shí)鐘脈沖傳輸1比特?cái)?shù)據(jù)。SDA信號只在SCL處于低電平時(shí)變化，SCL處于高電平期間，SDA電平必須保持穩(wěn)定。

I2C數(shù)據(jù)傳輸時(shí)SDA與SCL電平變化情況

I2C數(shù)據(jù)傳輸流程

I2C總線協(xié)議

基本工作原理

主設(shè)備以啟動信號START來掌管總線，以停止信號STOP來釋放總線。主設(shè)備啟動的每一個(gè)I2C命令均以START開始，以STOP結(jié)束。

啟動信號START后緊接著發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)，其中7位為被控器件的地址碼，一位為讀/寫控制位R/W。R/W為0表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，R/W為1表示主機(jī)從從機(jī)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)從機(jī)檢測到收到的地址與自己的地址相同時(shí)，在第9個(gè)時(shí)鐘期間反饋應(yīng)答信號。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)在傳送時(shí)都是高位（MSB）在前。

I2C基本工作流程

寫數(shù)據(jù)過程

1、主機(jī)檢測到總線空閑之后，發(fā)送啟動信號START信號掌管總線。

2、主機(jī)發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（包括7位地址碼和1位R/W）。

3、當(dāng)從機(jī)檢測到主機(jī)發(fā)送的地址與自己的地址相同以后，發(fā)送應(yīng)答信號（ACK）。

4、主機(jī)收到應(yīng)答信號ACK后，開始發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

5、從機(jī)收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送應(yīng)答信號ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

6、主機(jī)發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后，發(fā)送停止信號STOP，結(jié)束通訊并釋放總線。

讀通訊過程

1、主機(jī)檢測到總線空閑之后，發(fā)送啟動START信號掌管總線。

2、主機(jī)發(fā)送一個(gè)地址字節(jié)（包括7位地址碼和1位R/W）。

3、當(dāng)從機(jī)檢測到主機(jī)發(fā)送的地址與自己的地址相同以后，發(fā)送應(yīng)答信號ACK。

4、主機(jī)收到應(yīng)答信號ACK后釋放數(shù)據(jù)總線，開始接收第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

5、主機(jī)收到數(shù)據(jù)字節(jié)后，發(fā)送應(yīng)答信號ACK表示繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，發(fā)送NACK表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

6、主機(jī)完成接收以后，發(fā)送停止信號STOP，結(jié)束通訊并釋放總線。

同步

每個(gè)主機(jī)必須生成自己的時(shí)鐘信號，只有當(dāng)時(shí)鐘信號電平為低時(shí)，數(shù)據(jù)才能改變。執(zhí)行總線仲裁必須有同步時(shí)鐘。當(dāng)某個(gè)主機(jī)拉低時(shí)鐘電平時(shí)，時(shí)鐘會并保持低電平，直到所有主機(jī)均將時(shí)鐘拉至高電平。同樣，時(shí)鐘會處于高電平狀態(tài)，直到第一個(gè)主機(jī)將其拉低。這樣，通過觀察SCL信號，主設(shè)備可以同步它們的時(shí)鐘。

仲裁

對于I2C總線上的正常數(shù)據(jù)傳輸過程而言，只允許一個(gè)主機(jī)進(jìn)行控制。如果出于某種原因，兩個(gè)主機(jī)同時(shí)啟動I2C命令，則仲裁過程決定哪個(gè)主機(jī)獲得控制權(quán)并且可以繼續(xù)執(zhí)行命令。仲裁是通過SDA信號執(zhí)行的，此時(shí)SCL信號處于高電平。每個(gè)主機(jī)檢查總線上的SDA信號是否對應(yīng)于自己生成的SDA信號。如果總線上的SDA信號應(yīng)該是高電平但它卻處于低電平，那么這個(gè)主機(jī)就在仲裁過程中失敗。仲裁失敗的I2C主設(shè)備可以產(chǎn)生SCL脈沖直到字節(jié)結(jié)束，然后必須釋放總線并進(jìn)入從設(shè)備模式。仲裁過程可以持續(xù)到所有數(shù)據(jù)傳輸完畢以后。這意味著在多主機(jī)系統(tǒng)中，每個(gè)I2C主機(jī)必須監(jiān)控I2C總線并執(zhí)行相關(guān)操作。

I2C總線典型電路

現(xiàn)在的ARM CPU芯片普遍直接支持I2C總線，直接從CPU中將相應(yīng)管腳引出，即可以外接I2C功能模塊或者芯片，然后通過軟件進(jìn)行控制操作。

下圖為一個(gè)典型的I2C應(yīng)用擴(kuò)展（成都英創(chuàng)ETA202 I2C矩陣鍵盤擴(kuò)展模塊部分電路），使用TCA8418芯片擴(kuò)展出8x8矩陣鍵盤。直接將SDA、SCL、鍵盤中斷信號KEY_INT#和復(fù)位信號RST#接入芯片，并接上電源和地，即可以控制8x8矩陣鍵盤。

I2C總線在英創(chuàng)主板平臺上的應(yīng)用

支持I2C接口的芯片都可以直接和英創(chuàng)主板連接，并執(zhí)行相應(yīng)的功能。歷年來，大量用戶使用英創(chuàng)主板進(jìn)行I2C應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理，英創(chuàng)也累積了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。下面整理出了英創(chuàng)網(wǎng)站發(fā)表的相關(guān)技術(shù)文檔供用戶參考。雖然有一些方案文檔中提到的英創(chuàng)主板是較老的型號，用戶在新產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)候未必會使用這些老主板產(chǎn)品，但是文中的軟硬件使用技巧、編程技巧和方法等技術(shù)細(xì)節(jié)，是值得用戶參考或者直接使用的。

使用方法與技巧

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