1、15.5 I2C串行總線的組成串行總線的組成及工作原理及工作原理2I2C串行總線概述串行總線概述 I2C總線，是總線，是INTER-IC串行總線的縮寫。串行總線的縮寫。INTER-IC意意思是用于相互作用的集成電路，這種集成電路主要由思是用于相互作用的集成電路，這種集成電路主要由雙向串雙向串行時鐘線行時鐘線SCL和和雙向串行數據線雙向串行數據線SDA兩條線路組成。兩條線路組成。 I2C總線是總線是PHLIPS公司推出的一種公司推出的一種串行總線串行總線，是具備多，是具備多主機系統所需的包括主機系統所需的包括總線裁決總線裁決和和高低速器件同步功能高低速器件同步功能的高性的高性能串行總線。能串行總

2、線。 I2C總線只有總線只有兩根雙向信號線兩根雙向信號線。一根是。一根是數據線數據線SDA，另一根，另一根是是時鐘線時鐘線SCL。3 I2C總線通過上拉電阻接正電源。當總線通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線總線空閑時，兩根線均為高電平均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低，即各器件的線的信號變低，即各器件的SDA及及SCL都是都是線線“與與”關系。關系。I2C串行總線概述串行總線概述4 每個接到每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址。主機與其總線上的器件都有唯一的地址。主機與其它器件間的數據傳送可以是它器件間的數

3、據傳送可以是由主機發送數據到其它器件由主機發送數據到其它器件，這，這時時主機主機即為即為發送器發送器。由總線上。由總線上接收數據的器件接收數據的器件則為則為接收器接收器。 在多主機系統中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳在多主機系統中，可能同時有幾個主機企圖啟動總線傳送數據。為了避免混亂，送數據。為了避免混亂， I2C總線要通過總線要通過總線仲裁總線仲裁，以決定，以決定由哪一臺主機控制總線。由哪一臺主機控制總線。 在單片機應用系統的串行總線擴展中，我們經常遇到的在單片機應用系統的串行總線擴展中，我們經常遇到的是以單片機為主機，其它接口器件為從機的單主機情況。是以單片機為主機，其它接口器件為從機

4、的單主機情況。 I2C串行總線概述串行總線概述主機主機：初始化發送、產生時鐘信號和終止發送的器件，它可：初始化發送、產生時鐘信號和終止發送的器件，它可以是以是發送器或接收器發送器或接收器。主機通常是微處理器。主機通常是微處理器。從機從機：被主機尋址的器件，它可以是：被主機尋址的器件，它可以是發送器或接收器發送器或接收器， 5一、數據位的有效性規定一、數據位的有效性規定 I2C總線進行數據傳送時，總線進行數據傳送時，時鐘信號為高電平期間，數時鐘信號為高電平期間，數據線上的數據必須保持穩定據線上的數據必須保持穩定，只有在時鐘線上的信號為低只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數據線上的高電平或低電平狀

5、態才允許變化電平期間，數據線上的高電平或低電平狀態才允許變化。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送6二、起始和終止信號二、起始和終止信號 SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變線由高電平向低電平的變化表示起始信號化表示起始信號；SCL線為高電平期間，線為高電平期間，SDA線由低電平線由低電平向高電平的變化表示終止信號向高電平的變化表示終止信號。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送 I2C總線中唯一違反上述數據有效性的是被定義為總線中唯一違反上述數據有效性的是被定義為起始起始（S）和停止（）和停止（P）條件。條件。 7起始和終止信號都是由主機發出的。起始和終止信號都是由

6、主機發出的。在起始信號產生后，總線就處于被占用的狀態在起始信號產生后，總線就處于被占用的狀態；在終止信號產生后，總線就處于空閑狀態。在終止信號產生后，總線就處于空閑狀態。連接到連接到I2C總線上的器件總線上的器件若具有若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。信號。 對于不具備對于不具備I2C總線硬件接口的有些單片機來說，為了檢總線硬件接口的有些單片機來說，為了檢測起始和終止信號，必須測起始和終止信號，必須保證在每個時鐘周期內對數據保證在每個時鐘周期內對數據線線SDA采樣兩次采樣兩次。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送8 接收器件收到一

7、個完整的數據字節后，有可能需要完接收器件收到一個完整的數據字節后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻成一些其它工作，如處理內部中斷服務等，可能無法立刻接收下一個字節，這時接收下一個字節，這時接收器件接收器件可以可以將將SCL線拉成低電平線拉成低電平，從而使主機處于，從而使主機處于等待狀態等待狀態。直到接收器件準備好接收下。直到接收器件準備好接收下一個字節時，再一個字節時，再釋放釋放SCL線使之為高電平，從而使數據傳線使之為高電平，從而使數據傳送可以繼續進行送可以繼續進行。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送9三、數據傳送格式三、數據傳送格式（1）字節傳送與應答）字節傳

8、送與應答每一個字節必須保證是每一個字節必須保證是8位位長度。長度。數據傳送時，數據傳送時，先傳送最高位先傳送最高位（MSB），每一個被傳送的），每一個被傳送的字節后面都必須跟隨字節后面都必須跟隨一位應答位一位應答位（即（即一幀共有一幀共有9位位）。）。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送10l 應答信號：接收器接收到8bit數據后，向發送器發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據；l 非應答信號：當全部數據接收完畢后，接收器向發送器發出特定的高電平脈沖，隨后發停止位，結束接收數據過程。 應答信號應答信號 非應答信號非應答信號 11由于某種原因從機由于某種原因從機不不對主機尋址信號對主機尋址信號應答

9、應答時（如從機正在時（如從機正在進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數據），它進行實時性的處理工作而無法接收總線上的數據），它必必須將數據線置于高電平須將數據線置于高電平，而由，而由主機產生一個終止信號以結主機產生一個終止信號以結束總線的數據傳送束總線的數據傳送。如果從機對主機進行了如果從機對主機進行了應答應答，但，但在數據傳送一段時間后無在數據傳送一段時間后無法繼續接收更多的數據法繼續接收更多的數據時，從機可以通過對無法接收的第時，從機可以通過對無法接收的第一個數據字節的一個數據字節的“非應答非應答”通知主機，通知主機，主機則應發出終止主機則應發出終止信號以結束數據的繼續傳送信號以結束數據

10、的繼續傳送。當主機接收數據時，它收到最后一個數據字節后，必須向當主機接收數據時，它收到最后一個數據字節后，必須向從機發出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的從機發出一個結束傳送的信號。這個信號是由對從機的“非應答非應答”來實現的。然后，從機釋放來實現的。然后，從機釋放SDA線，以允許主機線，以允許主機產生終止信號。產生終止信號。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送12（2）數據幀格式）數據幀格式 I2C總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括總線上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號地址信號，又包括真正的又包括真正的數據信號數據信號。每次數據傳送每次數據傳送總是由主機產生的終止信號結束總是由主

11、機產生的終止信號結束。但是，若。但是，若主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，主機希望繼續占用總線進行新的數據傳送，則則可以不產生可以不產生終止信號，終止信號，馬上馬上再次發出起始信號對另一從機進行尋址再次發出起始信號對另一從機進行尋址。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送在起始信號后必須傳送一個從機的在起始信號后必須傳送一個從機的地址地址（7位位）;第第8位位是數據的是數據的傳送方向位傳送方向位（R/W）:用用“0”表示表示主機發送數據主機發送數據（T），），用用“1”表示表示主機接收數據主機接收數據（R）。）。13A、主機向從機發送數據主機向從機發送數據，數據，數據傳送方向傳送方向在整個傳

12、送過程在整個傳送過程中中不變不變。有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無陰影部分則表示數據由從機向主機傳送。數據由從機向主機傳送。A表示應答，表示應答，/A表示非應答表示非應答（高電平）。（高電平）。S表示起始信號，表示起始信號，P表示終止信號。表示終止信號。 在總線的一次數據傳送過程中，可以有以下幾種組合方式在總線的一次數據傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：I2C總線的數據傳送總線的數據傳送14B、主機、主機在第一個字節在第一個字節(尋址字節尋址字節)后后，立即立即由從機讀數據。由從機讀數據。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送 在從機產生

13、響應時，在從機產生響應時，主機從發送變成接收，從機從接收主機從發送變成接收，從機從接收變成發送變成發送。之后，。之后，數據由從機發送，主機接收，每個應答由數據由從機發送，主機接收，每個應答由主機產生主機產生，時鐘信號仍由主機產生時鐘信號仍由主機產生。若主機要終止本次傳輸，。若主機要終止本次傳輸，則發送一個非應答信號則發送一個非應答信號(A)，接著主機產生停止條件。，接著主機產生停止條件。 C、在傳送過程中，當需要、在傳送過程中，當需要改變傳送方向改變傳送方向時時，起始信號，起始信號和和從從機地址都被重復產生一次，機地址都被重復產生一次，但但兩次讀兩次讀/寫方向位正好反相。寫方向位正好反相。15

14、四、總線的尋址四、總線的尋址 I2C總線協議有明確的規定：采用總線協議有明確的規定：采用7位的尋址字節位的尋址字節（尋址字（尋址字節是起始信號后的第一個字節）。節是起始信號后的第一個字節）。 （1）尋址字節的位定義）尋址字節的位定義 D7D1位組成從機的地址。位組成從機的地址。D0位是數據位是數據傳送方向位傳送方向位，為為“0”時表示時表示主機向從機寫數據主機向從機寫數據，為，為“1”時表示時表示主機由從機主機由從機讀數據讀數據。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送16主機發送地址時，總線上的每個主機發送地址時，總線上的每個從機從機都都將這將這7位地址碼與位地址碼與自己的地址進行比較自己的地址進

15、行比較，如果相同，則認為自己正被主機，如果相同，則認為自己正被主機尋址，根據尋址，根據R/W位將自己確定為發送器或接收器位將自己確定為發送器或接收器。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送 如一個從機的如一個從機的7位尋址位有位尋址位有4位是固定位，位是固定位，3位是可編程位是可編程位，這時僅能尋址位，這時僅能尋址8個同樣的器件，即可以有個同樣的器件，即可以有8個同樣的器個同樣的器件接入到該件接入到該I2C總線系統中。總線系統中。 從機的地址由從機的地址由固定部分固定部分和和可編程部分可編程部分組成。在一個系統組成。在一個系統中可能希望接入多個相同的從機，中可能希望接入多個相同的從機，從機地址中可

16、編程部分從機地址中可編程部分決定了可接入總線該類器件的最大數目決定了可接入總線該類器件的最大數目。17（2）尋址字節中的特殊地址）尋址字節中的特殊地址 固定地址編號固定地址編號0000和和1111已被保留作為特殊用途。已被保留作為特殊用途。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送18 起始信號后的第一字節的起始信號后的第一字節的8位為位為“0000 0000”時，稱為時，稱為通用呼叫地址通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節中加以說。通用呼叫地址的用意在第二字節中加以說明。格式為：明。格式為： 第二字節為第二字節為 06H時，所有能響應通用呼叫地址的從機器件時，所有能響應通用呼叫地址的從機器件

17、復位，并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令復位，并由硬件裝入從機地址的可編程部分。能響應命令的從機器件復位時不拉低的從機器件復位時不拉低SDA和和SCL線，以免堵塞總線。線，以免堵塞總線。第二字節為第二字節為 04H時，所有能響應通用呼叫地址并通過硬件時，所有能響應通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位來定義其可編程地址的從機器件將鎖定地址中的可編程位，但不進行復位。，但不進行復位。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送19如果第二字節的方向位為如果第二字節的方向位為“1”，則這兩個字節命令稱為硬，則這兩個字節命令稱為硬件件通用呼叫命令通用呼叫命令。在這第

18、二字節的在這第二字節的高高7位說明自己的地址位說明自己的地址。接在總線上的智。接在總線上的智能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，并與能器件，如單片機或其他微處理器能識別這個地址，并與之傳送數據。硬件主器件作為從機使用時，也用這個地址之傳送數據。硬件主器件作為從機使用時，也用這個地址作為從機地址。格式為：作為從機地址。格式為： 在系統中另一種選擇可能是系統復位時在系統中另一種選擇可能是系統復位時硬件主機器件工作硬件主機器件工作在從機接收器方式在從機接收器方式，這時由系統中的主機先告訴硬件主機，這時由系統中的主機先告訴硬件主機器件數據應送往的從機器件地址，當硬件主機器件要發送器件數據應送

19、往的從機器件地址，當硬件主機器件要發送數據時就可以直接向指定從機器件發送數據了。數據時就可以直接向指定從機器件發送數據了。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送20（3）起始字節）起始字節 不具備不具備I2C總線接口的單片機，則必須總線接口的單片機，則必須通過軟件不斷地檢通過軟件不斷地檢測總線測總線，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬，以便及時地響應總線的請求。單片機的速度與硬件接口器件的速度就出現了較大的差別，為此，件接口器件的速度就出現了較大的差別，為此，I2C總線總線上的數據傳送要由一個較長的起始過程加以引導上的數據傳送要由一個較長的起始過程加以引導。 起始字節是提供給起始字節是提供

20、給沒有沒有I2C總線接口總線接口的單片機的單片機查詢查詢I2C總線總線時使用的特殊字節時使用的特殊字節。 I2C總線的數據傳送總線的數據傳送21 引導過程由引導過程由起始信號、起始字節、應答位、重復起起始信號、起始字節、應答位、重復起始信號始信號（Sr）組成。）組成。請求訪問總線的主機發出起始信號后，發送起始字節（請求訪問總線的主機發出起始信號后，發送起始字節（0000 0001），另一個單片機可以用一個比較低的速率采），另一個單片機可以用一個比較低的速率采樣樣SDA線，直到檢測到起始字節中的線，直到檢測到起始字節中的7個個“0”中的一個中的一個為止。在檢測到為止。在檢測到SDA線上的高電平后

21、，單片機就可以用線上的高電平后，單片機就可以用較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號使用的第二個較高的采樣速率，以便尋找作為同步信號使用的第二個起始信號起始信號Sr。在起始信號后的應答時鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用在起始信號后的應答時鐘脈沖僅僅是為了和總線所使用的格式一致，并不要求器件在這個脈沖期間作應答。的格式一致，并不要求器件在這個脈沖期間作應答。I2C總線的數據傳送總線的數據傳送22I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生 在多主的通信系統中。總線上有多個節點，它們都有自在多主的通信系統中。總線上有多個節點，它們都有自己的尋址地址，可以己的尋址地址，可以作為從節點被別的節點訪問作為從節點

22、被別的節點訪問，同時它，同時它們都可以們都可以作為主節點向其它的節點發送控制字節和傳送數作為主節點向其它的節點發送控制字節和傳送數據據。但是如果。但是如果有兩個或兩個以上的節點都向總線上發送啟有兩個或兩個以上的節點都向總線上發送啟動信號并開始傳送數據動信號并開始傳送數據，這樣就形成了，這樣就形成了沖突沖突。要解決這種。要解決這種沖突，就要進行仲裁的判決，這就是沖突，就要進行仲裁的判決，這就是I2C總線上的仲裁。總線上的仲裁。 I2C總線上的仲裁分兩部分：總線上的仲裁分兩部分：SCL線的同步線的同步和和SDA線的仲裁線的仲裁。 23I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生 SCL線的同步線的同

23、步（時鐘同步）（時鐘同步） SCL同步是由于總線具有同步是由于總線具有線線“與與”的邏輯功能，即的邏輯功能，即只要只要有一個節點發送低電平時，總線上就表現為低電平有一個節點發送低電平時，總線上就表現為低電平。由于線由于線“與與”邏輯功能的原理，當多個節點同時發送時鐘信號時，邏輯功能的原理，當多個節點同時發送時鐘信號時，在總線上表現的是統一的時鐘信號。這就是在總線上表現的是統一的時鐘信號。這就是SCL的同步原理。的同步原理。 當所有的節點都發當所有的節點都發送高電平時，總線才能送高電平時，總線才能表現為高電平表現為高電平。24I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生 SDA仲裁仲裁 SDA線的

24、仲裁也是建立在總線具有線的仲裁也是建立在總線具有線線“與與”邏輯功能邏輯功能的原理上的。的原理上的。 節點在發送節點在發送1位數據后，比較總線上所呈現的數據與位數據后，比較總線上所呈現的數據與自己發送的是否一致。自己發送的是否一致。是，繼續發送；否則，退出競是，繼續發送；否則，退出競爭爭。 SDA線的仲裁可以保證線的仲裁可以保證I2C總線系統在多個主節點同時總線系統在多個主節點同時企圖控制總線時通信正常進行并且數據不丟失。企圖控制總線時通信正常進行并且數據不丟失。總線總線系統通過仲裁只允許一個主節點可以繼續占據總線系統通過仲裁只允許一個主節點可以繼續占據總線。25I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲

25、裁與時鐘發生仲裁過程仲裁過程DATA1和和DATA2分別是主節點向總線所發送的數據信號；分別是主節點向總線所發送的數據信號；SDA為總線為總線上所呈現的上所呈現的數據信號數據信號，SCL是總線是總線上所呈現的上所呈現的時時鐘信號鐘信號。26I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生仲裁過程仲裁過程當主節點當主節點1、2同時發送起始信號時，同時發送起始信號時，兩個主節點都發送兩個主節點都發送了高電平信號了高電平信號。這時總線上呈現的信號為高電平，。這時總線上呈現的信號為高電平，兩個主兩個主節點都檢測到總線上的信號與自己發送的信號相同，繼續節點都檢測到總線上的信號與自己發送的信號相同，繼續發送數據

26、。發送數據。27I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生仲裁過程仲裁過程第第2個時鐘周期，個時鐘周期，2個主節點都發送低電平信號個主節點都發送低電平信號，在，在總線總線上呈現的信號為低電平上呈現的信號為低電平，仍，仍繼續發送數據繼續發送數據。28I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生仲裁過程仲裁過程在第在第3個時鐘周期，個時鐘周期，主節點主節點1發送高電平信號，發送高電平信號，而主節點而主節點2發發送低電平信號送低電平信號。根據總線的線。根據總線的線“與與”的邏輯功能，的邏輯功能，總線上的總線上的信號為低電平信號為低電平，這時，這時主節點主節點1檢測到總線上的數據和自己所發檢測到總線上的

27、數據和自己所發送的數據不一樣，就斷開數據的輸出級，轉為從機接收狀態送的數據不一樣，就斷開數據的輸出級，轉為從機接收狀態。29I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生仲裁過程仲裁過程這樣這樣主節點主節點2就贏得了總線就贏得了總線，而且數據沒有丟失，即總線的數，而且數據沒有丟失，即總線的數據與主節點據與主節點2所發送的數據一樣，而主節點所發送的數據一樣，而主節點1在轉為從節點后繼在轉為從節點后繼續接收數據，同樣也沒有丟掉續接收數據，同樣也沒有丟掉SDA線上的數據。因此在線上的數據。因此在仲裁過仲裁過程中數據沒有丟失程中數據沒有丟失。30I2C總線仲裁與時鐘發生總線仲裁與時鐘發生總結：總結：SDA

28、仲裁和仲裁和SCL時鐘同步處理過程沒有先后關系，而時鐘同步處理過程沒有先后關系，而是同時進行的。是同時進行的。仲裁過程仲裁過程一一 SPI接口簡介接口簡介SPI接口 (Serial Peripheral Interface-串行外設接口)是Motorola首先提出的全雙工三線同步串行外圍接口，采用主從模式架構，支持多從設備應用，一般只支持單主設備。它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。如圖1 MasterSlaveMOSISCLKMISO/SS5.6 SPI串行外設接口串行外設接口 （1）MOSI 主設備數據輸出，從設備數據輸入 （2）MISO 主設備數據輸入，從設備數據輸

29、出 （3）SCLK 時鐘信號，由主設備產生 （4）/SS 從設備使能信號，由主設備控制 /SS（片選信號）是控制芯片是否被選中，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時,對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。二二 SPI相關的寄存器相關的寄存器 (1) SCPR: 控制寄存器：（控制寄存器：（SPI的大部分設置都在該寄存器的大部分設置都在該寄存器） (2) SPSR: 標志寄存器：（查看一些標志和設置標志寄存器：（查看一些標志和設置SPI速度，速度，主要是用到主要是用到SPIF這個標志位，接收完成和發送完成都會這個標志位，接收完成和發送完成都會置位這個標志，進入中斷服務程序或訪問置位這個標志，進入中斷服務程序或訪問SPDR寄存器都寄存器都可以清零這個標志）可以清零這個標志）。(3) SPDR:數據寄存器：數據寄存器： 三三 SPI主從器件間數據傳輸框圖主從器件間數據傳輸框圖四四 SPI串行外設接口舉例串行外設接口舉例v SPI串行數據傳輸結構由MISO、MOSI、SCLK、/SS構成,主要是在SCLK的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數據交換。v CPOL(時鐘極性)=0;v 上升沿發送、下降沿接收、高位先發送。v 上升沿到來的時候，MOSI