IIC總線(xiàn)協(xié)議的基本原理

通信協(xié)議：所謂通信協(xié)議是指通信雙方的一種約定。約定包括對數據格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問(wèn)題做出統一規定，通信雙方必須共同遵守。因此，也叫做通信控制規程，或稱(chēng)傳輸控制規程，它屬于ISOS OSI七層參考模型中的數據鏈路層。目前，采用的通信協(xié)議有兩類(lèi)：異步協(xié)議和同步協(xié)議。

同步協(xié)議又有面向字符和面向比特以及面向字節計數三種。其中，面向字節計數的同步協(xié)議主要用于DEC公司的網(wǎng)絡(luò )體系結構中。

異步協(xié)議：一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，傳輸一個(gè)字符時(shí)，以起始位開(kāi)始，然后傳輸字符本身的各位，接著(zhù)傳輸校驗位，最后以停止位結束該字符的傳輸。一次傳輸的起始位、字符各位、校驗位、停止位構成一組完整的信息，稱(chēng)為幀(Frame-)。幀與幀之間可有任意個(gè)空閑位。起始位之后是數據的最低位。

串口通信(Serial Communication)， 是指外設和計算機間，通過(guò)數據信號線(xiàn) 、地線(xiàn)、控制線(xiàn)等，按位進(jìn)行傳輸數據的一種通訊方式。這種通信方式使用的數據線(xiàn)少，在遠距離通信中可以節約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸低。

當前比較流行的串行通信協(xié)議主要有EIA-232、EIA-232、EIA-485、USB、IEEE 1394幾種：

以下著(zhù)重介紹I2C總線(xiàn)：
一、I2C總線(xiàn)概述：
I2C總線(xiàn)是PHLIPS公司推出的一種串行總線(xiàn)，是具備多主機系統所需的包括總線(xiàn)裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線(xiàn)。I2C總線(xiàn)只有兩根雙向信號線(xiàn)。一根是數據線(xiàn)SDA，另一根是時(shí)鐘線(xiàn)SCL。如下圖：

I2C總線(xiàn)通過(guò)上拉電阻接正電源。當總線(xiàn)空閑時(shí)，兩根線(xiàn)均為高電平。連到總線(xiàn)上的任一器件輸出的低電平，都將使總線(xiàn)的信號變低，即各器件的SDA及SCL都是線(xiàn)“與”關(guān)系。如下圖：

每個(gè)接到I2C總線(xiàn)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由主機發(fā)送數據到其它器件，這時(shí)主機即為發(fā)送器。由總線(xiàn)上接收數據的器件則為接收器。在多主機系統中，可能同時(shí)有幾個(gè)主機企圖啟動(dòng)總線(xiàn)傳送數據。為了避免混亂， I2C總線(xiàn)要通過(guò)總線(xiàn)仲裁，以決定由哪一臺主機控制總線(xiàn)。

二、I2C總線(xiàn)數據傳送：
1、數據位的有效性規定
I2C總線(xiàn)進(jìn)行數據傳送時(shí)，時(shí)鐘信號為高電平期間，數據線(xiàn)上的數據必須保持穩定，只有在時(shí)鐘線(xiàn)上的信號為低電平期間，數據線(xiàn)上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。如下圖：

2、起始信號和終止信號
SCL線(xiàn)為高電平期間，SDA線(xiàn)由高電平向低電平的變化表示起始信號；SCL線(xiàn)為高電平期間，SDA線(xiàn)由低電平向高電平的變化表示終止信號。如下圖：

起始和終止信號都是由主機發(fā)出的，在起始信號產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號產(chǎn)生后，總線(xiàn)就處于空閑狀態(tài)。連接到I2C總線(xiàn)上的器件，若具有I2C總線(xiàn)的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。接收器件收到一個(gè)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(wù)等，可能無(wú)法立刻接收下一個(gè)字節，這時(shí)接收器件可以將SCL線(xiàn)拉成低電平，從而使主機處于等待狀態(tài)。直到接收器件準備好接收下一個(gè)字節時(shí)，再釋放SCL線(xiàn)使之為高電平，從而使數據傳送可以繼續進(jìn)行。

3、數據傳送格式
(1)字節傳送與應答
每一個(gè)字節必須保證是8位長(cháng)度。數據傳送時(shí)，先傳送最高位（MSB），每一個(gè)被傳送的字節后面都必須跟隨一位應答位（即一幀共有9位）。如下圖：


由于某種原因從機不對主機尋址信號應答時(shí)（如從機正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無(wú)法接收總線(xiàn)上的數據），它必須將數據線(xiàn)置于高電平，而由主機產(chǎn)生一個(gè)終止信號以結束總線(xiàn)的數據傳送；
如果從機對主機進(jìn)行了應答，但在數據傳送一段時(shí)間后無(wú)法繼續接收更多的數據時(shí)，從機可以通過(guò)對無(wú)法接收的第一個(gè)數據字節的“非應答”通知主機，主機則應發(fā)出終止信號以結束數據的繼續傳送；
當主機接收數據時(shí)，它收到最后一個(gè)數據字節后，必須向從機發(fā)出一個(gè)結束傳送的信號。這個(gè)信號是由對從機的“非應答”來(lái)實(shí)現的。然后，從機釋放SDA線(xiàn)，以允許主機產(chǎn)生終止信號。

(2)數據幀率格式
I2C總線(xiàn)上傳送的數據信號是廣義的，既包括地址信號，又包括真正的數據信號。在起始信號后必須傳送一個(gè)從機的地址（7位），第8位是數據的傳送方向位（R/T），用“0”表示主機發(fā)送數據（T），“1”表示主機接收數據（R）。每次數據傳送總是由主機產(chǎn)生的終止信號結束。但是，若主機希望繼續占用總線(xiàn)進(jìn)行新的數據傳送，則可以不產(chǎn)生終止信號，馬上再次發(fā)出起始信號對另一從機進(jìn)行尋址。
在總線(xiàn)的一次數據傳送過(guò)程中，可以有以下幾種組合方式：
①主機向從機發(fā)送數據，數據的傳送方向在整個(gè)傳送過(guò)程中不變：

【注】有陰影部分表示數據由主機向從機傳送，無(wú)陰影部分則表示數據由從機向主機傳送。
A表示應答， A非表示非應答（高電平）。S表示起始信號，P表示終止信號。

②主機在第一個(gè)字節后，立即從從機讀數據：

③在傳送過(guò)程中，當需要改變傳送方向時(shí)，起始信號和從機地址都被重復產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫(xiě)方向位正好反相。

4、總線(xiàn)的尋址
I2C總線(xiàn)有明確規定：采用7bit尋址字節（尋址字節是起始信號后的第一個(gè)字節）。

【注】D7～D1位組成從機的地址。D0位是數據傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機向從機寫(xiě)數據，為“1”時(shí)表示主機由從機讀數據。

主機發(fā)送地址時(shí)，總線(xiàn)上的每個(gè)從機都將這7位地址碼和自己的地址比較，如果相同，則認為自己被主機尋址，根據R/T位將自己確認為發(fā)送器或者接收器。
從機的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統中，可能希望接入多個(gè)相同的從機，從機地址中可以編程的部分決定了可接入總線(xiàn)該類(lèi)器件的最大數目。如一個(gè)從機的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線(xiàn)系統中。

附：單片機I2C串行總線(xiàn)數據傳送模擬

子程序：

1）總線(xiàn)的初始化
Void init()
{
SDA = 1;
delay( );
SCL = 1;
delay( );
}
將總線(xiàn)都拉高以釋放總線(xiàn)

2）啟動(dòng)信號
void start()
{
SDA = 1;
delay( );
SCL = 1;
delay( );
SDA = 0;
delay( );
}
SCL在高電平期間，SDA一個(gè)下降沿啟動(dòng)信號

3）應答信號
void respons()
{
Uchar i=0;
SCL = 1;
delay( );
While((SDA == 1)&&(i < 255))
{
i++;
SCL = 0;
delay( );
}
}
SCL在高電平期間，SDA被從設備拉為低電平表示應答，上面的代碼中有一個(gè)（SDA == 1）和（i <<255）與關(guān)系，表示若在一段時(shí)間內沒(méi)有收到從器件的應答則主器件默認從器件已經(jīng)收到數據而不再等待應答信號，如果不加這個(gè)延時(shí)退出，一旦從器件沒(méi)有發(fā)送應答信號，程序將永遠停在這里，而真正的程序中不允許這樣的情況發(fā)生。

4）停止信號
void stop()
{
SDA = 0;
delay( );
SCL = 1;
delay( );
SDA = 1;
delay( );
}
SCL在高平期間，SDA一個(gè)上升沿停止信號。

5）寫(xiě)一個(gè)字節
void writebyte(uchar data)
{
Uchar i,temp;
temp = data;
for(i=0;i<8,i++)
{
temp=temp<<1;
SCL=0;
Delay();
SDA=CY;
Delay();
SCL=1;
Delay();
}
SCL=0;
Delay();
SDA=1;
Delay();
}
串行發(fā)送一個(gè)字節時(shí)，需要把這個(gè)字節中的8位一位一位的發(fā)出，temp=temp<<1表示左移，將最高位移入PSD寄存器CY位中然后將CY賦給SDA，進(jìn)而咋SCL的控制下發(fā)送出去。

6）讀一個(gè)字節
Uchar readbyte()
{
Uchar i,k;
SCL=0;
Delay();
SDA=1
For(i=0;i<8;i++)
{
SCL=1;
Delay();
K = (k<<1)|SDA;
SCL=0;
Delay();
}
Delay();
Retrun k;
}
串行接受一個(gè)字符時(shí)需要將8位一位一位的接收，然后再組合成一個(gè)字節，上面代碼中我們定義了一個(gè)臨時(shí)變量k，將k左移一位后與SDA進(jìn)行或運算，依次把8個(gè)獨立的位放入一個(gè)字節中來(lái)完成接收。