I2C總線接口邏輯分析

1 前言

I2C總線是具備多CPU系統所需的包括仲裁和高低速設備同步等功能的高性能串行總線。它以兩根連線實現完善的全雙工數據傳送，是各種總線中使用信號線根數最少，并具有自動尋址、多主機時鐘同步和仲裁等功能的總線。

目前世界上采用的I2C總線有兩種規范，它們分別是由荷蘭飛利浦公司和日本索尼公司提出的。現在廣泛采用的是飛利浦公司的I2C總線技術規范，它已成為被電子行業認可的總線標準。

由于I2C總線具有標準的規范及眾多帶I2C接口的外圍器件，使得使用I2C總線設計計算機系統變得十分方便、靈活，體積也小，因此在各類實際應用中得到廣泛使用。

2 I2C總線的基本原理

2.1 I2C總線基本結構

I2C總線系統結構靈活，易于模塊化、標準化設計。I2C總線只有兩根信號線，一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有進入I2C總線系統中的器件都帶有I2C總線接口，符合I2C總線電氣規范的特性；而且采用純軟件尋址方法，無需器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能器件掛靠或摘離總線，還可對其工作狀況進行檢測，從而實現對硬件系統即簡單又靈活的擴展與控制。各器件供電可不同，但需共地。另外，SDA、SCL需分別接上拉電阻。

SDA、SCL都是雙向的，輸出電路用于向總線上發送數據，輸入電路用于接收總線上的數據。當總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出端電路必須是集電極開路輸出或開漏輸出，以具有線“與”功能。I2C總線的數據傳送速率在標準模式下可達100kbit／s，快速模式下可達400kbit／s，高速模式下則可達3.4Mbit／s。

I2C總線接口電路結構如圖1所示。
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2.2 I2C總線數據傳送

I2C總線數據傳輸時必須遵循規定的數據傳送格式，如圖2所示為一次完整的數據傳送格式。啟動信號表明一次傳送的開始，其后為尋址字節，該尋址字節由高7位地址和最低1位方向位組成：方向位為“0”表明寫操作，“1”表明讀操作；在尋址字節后是由方向位指定讀、寫操作的數據字節與應答位；在數據傳送完成后為停止信號。在“啟動”與“停止”之間傳送的數據字節數從理論上來說沒有限制，但每個字節必須為8位，而且每個傳送的字節后面必須跟一個應答位。

當SCL為高電平時，SDA由高電平跳變為低電平，定義為啟動信號；當SCL為低電平時，SDA由低電平跳變為高電平，定義為停止信號。

在SCL為高電平時，SDA上數據需保持穩定方被認為有效；只有在SCL為低電平時，才允許SDA電平狀態變化。

2.3時鐘信號的同步

在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態，于是這些器件將進入高電平等待的狀態。當所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鐘。可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。

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2.4 總線競爭的仲裁

總線上可能掛接有多個器件，有時會發生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發送高電平，而另一個主器件發送低電平，則發送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。總線競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數據位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。

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3 I2C總線接口邏輯的構成

3.1 I2C總線接口電路的結構

I2C總線接口邏輯框圖如圖5所示。

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在電路設計中，各功能塊的硬件實現介紹如下。

啟動、停止檢測電路應用兩個D觸發器來分別響應SDA在SCL為高電平時的電平跳變。

移位寄存器電路由9個D觸發器串聯成9級移位寄存器，包括8位字節和1位應答位，實現SDA上數據的串并行轉換。寄存器復位值為“111111110”，接收8位字節后為“0D7D6D5D4D3D2D1D0”，即應答位為“0”，在第9個時鐘時輸出低電平作為應答信號。

可編程地址發生器電路生成器件地址，7位器件地址由器件編號地址(高4位)和引腳地址(低3位)組成。通過改變器件引腳的連接方式，就可改變器件地址，因此使應用方便靈活。

地址比較器電路由門電路組成布爾代數式邏輯，對尋址字節進行判斷。若地址正確則將RS觸發器置“1”，使能譯碼器輸出。

3.2 I2C總線接口工作流程

I2C總線接口工作流程如圖6所示。

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