I2C接口基础知识一

I²C(Inter－Integrated Circuit)总线是集成电路间的数据交换总线，由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I²C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如VGA设备的配置，HDMI设备的配置等。当前I²C应用已变的极为广泛，除了做配置接口，在低速的存储器，AD/DA等方面也有较为广泛的应用。

一、I²C 接口特点：

1. I²C接口是两线制接口总线：即通信接口只有两根线SCL（Serial Clock line）与SDA（Serial Data line）。其中SCL是时钟线，SDA为数据线。因此I²C 总线是非常简洁的设备总线。
2. 同步通信方式：由于数据线SDA在时钟线SCL的驱动下的输出或读入，因此是同步通信的一种。
3. 主从模式：I²C 总线分为主从模式，主模式（Master）一般为主控制器或FPGA等智能器件，从模式一般为E²PROM 或AD/DA的器件。通信由主器件发起，从器件响应，最后由主器件结束。每个从设备都有一个惟一的ID号，该ID号一般是7位的2进制数，也称为从设备的地址。
4. 多主多从的总线结构：I²C 总线是多主多从的总线结构，挂在总线的器件或设备都可以为主模式，也可以为从模式，甚至可以在通信期间完成主从角色转换。
5. 器件或设备的总线输出是高阻状态：无论SDA还是SCL在输出时都遵循如下规律，在低电平输出时是灌电流的方式，这与数字系统中的TTL，CMOS，LVTTL，LVCMOS等的电平一致，但在高电平输出时，SDA与SCL都是漏极开路的方式输出，也就是高阻态输出。这主要是为了满足多器件共享总线所决定的。因此在I²C的功能与总线接口时应注意高电平到高阻的转换。具体参考例1的描述。
6. 从设备可以通过拉低SCL从而可以暂停通信过程（SCL stretch），实现主从读写速度匹配。例如主设备读数据，从设备在数据准备阶段可以拉低SCL从而使总线处于等待状态。因此主从设备的SCL都可以做输入、输出。
7. 如果总线只有一个Master，而且Slave设备又没有SCL stretch的功能（多数从设备没有SCL的输出功能），这种情况下SCL可以采用推拉结构。
8. SDA的数据分为稳定区域与可变区域，在SCL为低电平区间，SDA数据可以根据通信内容变化；在SCL为高电平期间，SDA保持数据不变。也可以理解为SCL为低电平区间准备数据，SCL上升沿锁存。如图１，

图１

       9.总线需要上拉电阻：由于SDA与SCL都是高阻输出，因此在总线上需要接上拉电阻，该上拉电阻是总线共享的。如图２，

图2 单主单从

图３ 单主多从

图４ 多主多从

例1：利用Verilog描述I²C的MASTER总线状态

module I2C_M
(
    input rst,
    input clk,

    inout scl,
    inout sda,

    input [ 7: 0 ] data_in,
    output [ 7: 0 ] data_out
);


wire scl_in;
wire sda_in;
wire scl_out;
wire sda_out;

assign scl_in = scl;
assign sda_in = sda;

//从内部scl_out到总线端口scl，高电平到高阻的转换，
//从内部sda_out到总线端口scl，高电平到高阻的转换

assign scl = scl_out ? 1'bZ : 1'b0;
assign sda = sda_out ? 1'bZ : 1'b0;

//如果只有一个MASTER，而且SLAVE的SCL没有拉伸功能（stretch），也可以采用推    
//拉方式，此时总线的上拉电阻也可以移除。此时的scl可以直接赋值，但SDA仍然需
//要高阻设置
//assign scl = scl_out ? 1'b1 : 1'b0;
//assign sda = sda_out ? 1'bZ : 1'b0;

I2C_RD I2C_RD_inst
(
    .rst ( rst ),
    .clk ( clk ),

    .scl_in ( scl_in ),
    .scl_out ( scl_out ),

    .sda_in ( sda_in ),
    .sda_out ( sda_out ),

    .data_out( data_out )
);

I2C_wr I2C_wr_inst
(
    .rst ( rst ),
    .clk ( clk ),

    .scl_in ( scl_in ),
    .scl_out ( scl_out ),

    .sda_in ( sda_in ),
    .sda_out ( sda_out ),

    .data_in ( data_in )
);


endmodule

二、I²C的速度

I²C从最初的100K的通信速度，后来经过几次版本修订，目前支持4种不同等级的速度，分别为低速（standard mode 标准模式），快速（fast mode），高速（fast mode plus)，超速（high-speed mode)4种，可见这四种模式的命名有点混乱，总之可以以规范的命名为准。如表1

表1

当各种不同速度等级器件挂在总线上时，一般按照速度最低的器件速度运行，如在总线上有100K，400K两种从模式的器件，主模式也支持两种速度，为了能更好的访问到每个器件，主器件要使用100K的速度模式兼容两种器件，也就是说I²C 的速度是向下兼容的。而且对于某种速度只规定了最高值，比如400K速度等级的器件，最高能运行在400K可以保证可靠的读写，并不是说只能运行在400K， 在200K，100K甚至20K都能运行。也就是说对于某个器件只规定最高速度，低于这个速度，理论上都能运行。

三、I²C 的状态

1. 空闲（IDLE）状态：在启动通信之前，I²C处在空闲状态，在空闲状态时SCL，SDA都为高电平状态（所有器件都为高阻，由上拉电阻将总线设为高阻）。
2. 启动（START）状态：I²C在SCL为高电平期间，SDA由高到低的转换，启动了I2C的通信过程。
3. 设备地址选择状态：由于I²C 是总线型的连接方式，所有设备共享这一对总线，而且同一时刻只有一对设备（一主，一从）能够通信，因此主设备在与从设备交换数据之前，必须确定与那个设备通信，因此在与该从设备交换数据前，先发送该设备的地址（7位ID）以及读写标志，等待从设备应答后，读/写才能正常运行。
4. 数据读/写阶段：完成以上前三个阶段就可以进行数据读写了。
5. 停止（STOP）状态：I²C在SCL为高电平期间，SDA由低到高的转换，停止I²C的通信过程。此后I²C总线将回到空闲状态。状态1-5如图5，

图５

        6.设备地址及读写选择

I²C总线设备地址有两种格式，一种为7位二进制格式，如EEPROM的地址为0x50 — 0x57 。另一种为10位格式，目前10位格式使用很少。在７位地址中，主设备发起启动（start）后，紧跟的是设备地址（7bit），其后是一位读/写（R/W#）标志位 。该位为0，标识其后的过程为写数据过程；如果为1，标识其后为读过程。读/写控制位之后是从设备的应答位（acknowledge， 1bit）如图6，

图６

应答（acknowledge）是从设备回应主设备地址的过程，由于I²C总线上可以挂多个设备，因此从设备收到地址后都与自己本身的地址比较，如果某个从设备的地址与捕获到的地址比较相符，则该设备发出应答信号，表明地址匹配，可以进行随后的读写过程。从设备应答是在应答位置将SDA拉低，主设备检测到该低电平，表示得到某个从设备的应答。为了能准确检测到低电平应答，主设备SDA在应答位期间应为高阻状态（总线由上拉电阻拉高），从设备应答将总线拉低， 否则没法确定总线低电平是由主设备拉低还是从设备应答拉低。

7位地址的保留码，为了将来扩展，7位地址没有全部使用，为后来发展预留了空间。其中11110xx就留给了10位地址扩展使用。

表2

10位地址的匹配过程，由于7位地址预留11110xx作为10位扩展使用，因此10位的地址格式如图7：

图7

从图7可以看出，10位地址被分成了两个部分，11110xx中的xx是10位地址中的高两位地址，SLAVE ADDRESS 2^nd BYTE 是10位地址中的低8位。从图中可以看出读/写标志是紧跟第一个7位地址（其中只有xx是有效地址），而且从设备有两次应答A1，A2。

更多知识见文章I2C接口基础知识二。

I2C 接口及协议 规范（中文版）