I2C總線簡(jiǎn)介

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本文介紹了內(nèi)部集成電路（AKA I2C）串行通信協(xié)議的基本特性和突出優(yōu)點(diǎn)。

組件之間的通信：通信協(xié)議

毫無(wú)疑問(wèn)，電子系統(tǒng)的共同特征是需要在兩個(gè)或三個(gè)或十個(gè)單獨(dú)的組件之間共享信息。

工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以幫助不同的芯片成功通信 - 當(dāng)您在微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器的功能列表中“通信”下面對(duì)縮略語(yǔ)時(shí)，這一事實(shí)就變得很明顯：UART，USART，SPI，I² C，CAN。。。。每個(gè)協(xié)議都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，重要的是要了解每個(gè)協(xié)議，以便在選擇組件或接口時(shí)做出明智的決定。

本文是關(guān)于I ² C的，它通常用于位于同一PCB上的各個(gè)集成電路之間的通信。另外兩種通用協(xié)議也適用于這種通用類別：UART（通用異步接收器/發(fā)送器）和SPI（串行外設(shè)接口）。在徹底理解這三個(gè)接口之間的比較之前，您需要了解I ² C 的基本特征，因此我們將在本文末尾討論該主題。

什么是I2C總線？

I ² C代表內(nèi)部集成電路總線。但毫無(wú)疑問(wèn)，I ² C協(xié)議存在嚴(yán)重的術(shù)語(yǔ)問(wèn)題。最簡(jiǎn)單 - 也可能是最不常見(jiàn)的 - 縮寫(xiě)是IIC。也許這個(gè)縮寫(xiě)被鄙視，因?yàn)閮蓚€(gè)大寫(xiě)我看起來(lái)像兩個(gè)1，或兩個(gè)小寫(xiě)的l，或羅馬數(shù)字II，或并聯(lián)電阻的符號(hào)。。。。無(wú)論如何，縮寫(xiě)I ² C（稱為“I squared C”）獲得了普及，盡管將正常字母視為一個(gè)受取冪的變量的邏輯可疑。第三種選擇是I ²C（“I two C”），它避免了上標(biāo)格式的不便，并且比“I squared C”更容易發(fā)音。

當(dāng)您注意到SMB或SMBus顯然被用作引用I ² C總線的另一種方式時(shí)，最后一層霧就會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。實(shí)際上，這些縮寫(xiě)是指系統(tǒng)管理總線，它與I ² C總線不同，但幾乎相同。最初的I ² C協(xié)議是由Phillips Semiconductor開(kāi)發(fā)的，多年后英特爾將SMBus協(xié)議定義為I2C的擴(kuò)展。這兩輛公共汽車基本上可以互換; 如果您對(duì)它們之間的細(xì)微差別感興趣，請(qǐng)參閱 第57頁(yè)。

就像試圖在一個(gè)滿是人的房間里進(jìn)行重要的對(duì)話

要了解使I ² C如此有效的巧妙技術(shù)，您需要考慮在多個(gè)獨(dú)立組件之間實(shí)現(xiàn)可靠但通用的通信的難度。如果你有一個(gè)始終是主設(shè)備的芯片和一個(gè)始終是從設(shè)備的芯片，那么情況就很簡(jiǎn)單了。

但是如果你有多個(gè)奴隸怎么辦？如果奴隸不知道主人是誰(shuí)，該怎么辦？如果有多個(gè)主人怎么辦？如果主設(shè)備請(qǐng)求來(lái)自從設(shè)備的數(shù)據(jù)由于某種原因變得無(wú)法正常運(yùn)行，會(huì)發(fā)生什么？或者如果奴隸在傳輸過(guò)程中失去功能會(huì)怎么樣？如果主人要求總線進(jìn)行傳輸然后在釋放總線之前崩潰怎么辦？

關(guān)鍵是，在這種通信環(huán)境中存在許多可能出錯(cuò)的問(wèn)題。當(dāng)你學(xué)習(xí)I ² C 時(shí)，你必須記住這一點(diǎn)，因?yàn)榉駝t，協(xié)議看起來(lái)會(huì)變得復(fù)雜和挑剔。事實(shí)上，這種額外的復(fù)雜性使I ² C能夠提供靈活，可擴(kuò)展，強(qiáng)大，低引腳數(shù)的串行通信。

I2C通信概述

在我們了解任何細(xì)節(jié)之前，以下是I ² C 的主要特征：

• 無(wú)論總線上有多少設(shè)備，都只使用兩個(gè)信號(hào)（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）。
• 通過(guò)適當(dāng)大小的電阻將兩個(gè)信號(hào)上拉至正電源電壓。
• 每個(gè)器件通過(guò)漏極開(kāi)路（或開(kāi)路集電極）輸出驅(qū)動(dòng)器與時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)接口。
• 每個(gè)從設(shè)備通過(guò)7位地址識(shí)別; 主設(shè)備必須知道這些地址才能與特定的從設(shè)備通信。
• 所有傳輸均由主站發(fā)起和終止; 主設(shè)備可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備或從從設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
• 標(biāo)簽“master”和“slave”本質(zhì)上是非永久性的：如果任何設(shè)備包含必要的硬件和/或固件，則它們可以用作主設(shè)備或從設(shè)備。但實(shí)際上，嵌入式系統(tǒng)通常采用一種架構(gòu)，其中一個(gè)主機(jī)向多個(gè)從機(jī)發(fā)送命令或從多個(gè)從機(jī)收集數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿更新，并在上升沿采樣，如下所示：

• 數(shù)據(jù)以單字節(jié)部分傳輸，每個(gè)字節(jié)后跟一位稱為ACK / NACK（確認(rèn)或未確認(rèn)）位的握手信號(hào)。

I2C的優(yōu)點(diǎn)是什么？I2C與UART與SPI的比較

I ² C 的優(yōu)點(diǎn)可歸納如下：

• 即使總線上有許多器件，也能保持低引腳/信號(hào)數(shù)
• 適應(yīng)不同從設(shè)備的需求
• 很容易支持多個(gè)主人
• 結(jié)合了ACK / NACK功能以改進(jìn)錯(cuò)誤處理

這里有一些缺點(diǎn)：

• 增加了固件或低級(jí)硬件的復(fù)雜性
• 強(qiáng)加協(xié)議開(kāi)銷，降低吞吐量
• 需要上拉電阻，其中
• 限制時(shí)鐘速度
• 在極其空間受限的系統(tǒng)中消耗寶貴的PCB空間
• 增加功耗

從這些觀點(diǎn)我們可以看出，當(dāng)您擁有復(fù)雜，多樣化或廣泛的通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時(shí)，I ² C特別適合。UART接口通常用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，因?yàn)闆](méi)有標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)尋址不同的設(shè)備或共享引腳。當(dāng)你有一個(gè)主設(shè)備和一些從設(shè)備時(shí)SPI很棒，但是每個(gè)從設(shè)備都需要一個(gè)單獨(dú)的“從設(shè)備選擇”信號(hào)，當(dāng)總線上有許多設(shè)備時(shí)，導(dǎo)致高引腳數(shù)和路由困難。當(dāng)你需要支持多個(gè)主服務(wù)器時(shí)，SPI很尷尬。

如果吞吐量是主要關(guān)注點(diǎn)，您可能需要有意避免 I ² C; SPI支持更高的時(shí)鐘頻率并最小化開(kāi)銷。此外，SPI（或UART）的低級(jí)硬件設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，因此如果您正在使用FPGA并從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)串行接口，I ² C應(yīng)該被認(rèn)為是最后的選擇。

結(jié)論

我們已經(jīng)介紹了I ² C 的顯著特征，現(xiàn)在我們對(duì)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)有了足夠的了解，可以根據(jù)給定的應(yīng)用程序選擇哪種串行總線做出明智的決定。在以后的文章中，我們將更詳細(xì)地探討協(xié)議以及如何實(shí)際實(shí)現(xiàn)它。