了解內部集成電路總線（一種基本的低成本互聯方案）的連接和格式。

作者：Thomas Kugelstadt，德州儀器 (TI) 高級應用工程師

內置集成電路 (I²C) 總線是一種單端、多主控雙線總線，適合在半雙工模式下進行高效的內部集成電路通信。該總線使用漏極開路技術，因此通過電阻器連接到 VDD 時就需要兩根信號線，分別為串行數據 (SDA) 線和串行時鐘線 (SCL)，如圖 1 所示。

圖 1 I²C 總線

將線路拉低至接地認為是邏輯 0，而使線路浮置則為邏輯 1。通常將這用作通道接入方式。當 SCL 為低電平時，必將發生邏輯狀態變化；當 SSL 為高電平時，若發生變化則認為是 START 和 STOP 條件。盡管系統允許提供更高或更低的電壓，但典型的電源電壓為 3.3V 和 5V。

I²C 通信采用 7 位地址空間（具有 16 個預留地址），因此在同一總線上，理論上較多可以和 112 個節點通信。但實際上，節點數會受到總線上規定的總體總電容 (400 pF) 限制，從而將通信距離限制為幾米。規定的信號傳輸速率為 100 kbit/s（標準模式）、400 kbit/s（快速模式）、1 Mbit/s（快速模式Plus，FM+）和 3.4 Mbit/s（高速模式）。

總線上的節點有主從之分。主節點負責發布時鐘和從節點地址，并且還開始和結束數據處理。從節點負責接收時鐘和地址，并響應來自主節點的請求。圖 2 顯示了主從節點之間典型的數據傳送示例。

圖 2 完整的數據傳輸時序圖

主節點通過創建一個 START 條件發布一個數據處理，緊接著發布希望與其進行通信的從節點的 7 位地址。隨后發送一個信號讀寫位，表示主節點是否愿意寫入到從節點 (0) 或者自從節點讀取 (1)。接下來，主節點將釋放 SDA 線，以允許從節點對數據接收作出應答。

在第 9 個 SCL 時鐘脈沖的整個高電平期間，從節點通過將 SDA 拉至低電平以回應一個應答位 (ACK)，之后主節點一直處于傳輸或接收模式（根據發送的讀寫位而定），而從節點則一直處于對應的互補模式（分別為接收或傳輸）。

發送地址和 8 位數據字節時首先發送較高位 (MSB)。當 SCL 為高電平時，通過 SDA 由高電平向低電平跳變來指示 START 位。而當 SCL 為高電平時，則通過 SDA 由低電平向高電平跳變來產生 STOP 條件。

當主節點寫入到從節點時，它會在從節點發送 ACK 位時重復發送一個字節。在這種情況下，主節點將處于主傳輸模式，而從節點則處于從接收模式。當主節點自從節點讀取時，它會重復接收自從節點的字節，同時對每個字節的接收作出應答 (ACK)，但較后一個字節除外，請參見圖 3。這種情況下，主節點將處于主接收模式，而從節點則處于從傳輸模式。

主節點將以 STOP 位結束傳輸，或者可能為進行下一步傳輸而發送另一個 START 位以保持總線控制。

圖 3 數據傳輸期間傳輸/接收模式的變化情況

當寫入到從節點時，主節點將主要以傳輸模式運行，并且只有自從節點接收應答時才會更改為接收模式。

當自從節點讀取時，主節點將以傳輸模式啟動，然后在發送 READ 請求（讀寫位=1）到從節點后會更改為接收模式。從節點將一直處于對應的互補模式，直至結束該任務。

請注意，主節點將通過在較后接收的字節后面跟隨一個無應答 (NACK) 來結束讀取序列。此步驟會復位從狀態機，并允許主節點發送 STOP 命令。

作者簡介

Thomas Kugelstadt 現任 TI 高級系統工程師，主要負責定義新型高性能模擬產品以及探測和調節工業系統中低電平模擬信號的完整系統解決方案的開發工作。

在 TI 工作的 20 年間，他曾被派往歐洲、亞洲以及美國擔任過各種國際應用職位。 Thomas 畢業于法蘭克福應用技術大學 (Frankfurt University of Applied Science)，一畢業就成為一名見習工程師 (Graduate Engineer)。