I2C通信协议-I2C总线规范

### I2C通信协议-I2C总线规范 #### 序言 自1992年I2C总线规范的首个版本发布以来，该规范经历了多次更新与完善，以适应不断变化的技术需求。最初版本（1.0）对一些功能进行了精简，并引入了快速模式和10位寻址等特性，极大地提升了系统的灵活性和兼容性。 **1.1 版本1.0 - 1992** - **修正与改进：** - 删除了软件编程从机地址的功能，因其复杂度高且实际使用较少。 - 移除了“低速模式”，将其视为I2C总线规范的一部分而非单独模式。 - 引入了快速模式，将最大位速率提升至400kbit/s，增强了兼容性。 - 增加了10位寻址功能，显著扩大了可用的从机地址空间。 **1.2 版本2.0 - 1998** - **新增特性与修正：** - 添加了高速模式（Hs模式），将最大位速率提高到3.4Mbit/s，使得I2C总线更加适用于高速通信场景。 - 调整了电源电压为2V及以下器件的低输出电平和滞后，确保了良好的噪声容限并维持了与其他电压等级器件的兼容性。 - 删除了快速模式输出级的0.6V/6mA要求，简化了设计。 - 将新器件的固定输入电平改为总线电压相关的电平，进一步增强了灵活性。 - 加入了双向电平转换器的应用信息，便于在不同电压环境下使用I2C总线。 **1.3 版本2.1 - 2000** - **微小修改：** - 在Hs模式下的重复起始条件后，允许延长时间信号SCLH，提供了更多的操作灵活性。 - 对Hs模式中的某些时序参数进行了调整，使之更为宽松。 #### I2C总线使设计人员和厂商都得益 **2.1 设计人员的得益** - **简化设计：**I2C总线简化了多设备间的通信设计，通过减少所需的引脚数量降低了硬件复杂度。 - **增强的兼容性：**通过支持多种通信速率（如标准模式、快速模式和高速模式），I2C总线确保了不同设备之间的良好兼容性。 - **灵活的地址分配：**支持7位和10位寻址模式，极大地扩展了可连接设备的数量，提高了系统的扩展性。 - **易于集成：**I2C总线的标准化协议使得设备之间的集成变得更加简单高效。 **2.2 厂商的得益** - **成本效益：**减少了接口引脚数量，降低了生产成本。 - **标准化：**I2C总线的广泛采用促进了标准的统一，有助于减少研发周期和成本。 - **市场接受度：**由于其高度的灵活性和兼容性，I2C总线成为众多设备的标准接口之一，有助于提升产品的市场竞争力。 #### 介绍I2C总线规范 I2C总线规范定义了一套用于集成电路之间通信的规则，包括数据传输、寻址机制、时序要求等关键方面。 #### I2C总线的概念 I2C总线是一种两线式串行总线，通过两条信号线（SDA和SCL）实现数据传输。其中： - **SDA（Serial Data）**：串行数据线，用于传输数据。 - **SCL（Serial Clock）**：串行时钟线，用于同步数据传输。 #### 总体特征 - **总线架构：**I2C总线采用了主从架构，其中一个主设备可以控制多个从设备。 - **通信模式：**支持标准模式（最高100kbit/s）、快速模式（最高400kbit/s）和高速模式（最高3.4Mbit/s）。 - **寻址机制：**支持7位和10位寻址模式，以适应不同的应用场景。 #### 位传输 **6.1 数据的有效性** - 在I2C总线中，数据的有效性与SCL时钟线的状态紧密相关。当SCL处于高电平时，SDA线上的数据被视为有效。 **6.2 起始和停止条件** - **起始条件：**当SCL线处于高电平时，SDA线从高电平变为低电平，标志着一次传输的开始。 - **停止条件：**同样地，在SCL线为高电平时，SDA线从低电平变为高电平，则表示一次传输的结束。 #### 传输数据 **7.1 字节格式** - 每个数据字节由8位组成，包括一位起始位、八位数据位和一位停止位。 - **响应：**每个数据字节发送完毕后，接收方会返回一个应答位（ACK）以确认接收状态。 #### 仲裁和时钟发生 **8.1 同步** - 通过SCL时钟信号实现数据传输的同步。 **8.2 仲裁** - 当多个主设备尝试控制总线时，通过仲裁机制确定哪个主设备获得总线控制权。 **8.3 用时钟同步机制作为握手** - 时钟同步机制确保了数据传输过程中各设备之间的同步。 #### 7位的地址格式 - 支持7位地址格式，每个从机有一个唯一的7位地址。 #### 7位寻址 **10.1 第一个字节的位定义** - 第一个字节通常包含从机的地址和读写方向的信息。 - **广播呼叫地址：**特定的地址用于广播消息。 - **起始字节：**包含了地址和读写指示符。 #### 标准模式I2C总线规范的扩展 随着技术的发展，I2C总线规范逐渐扩展，以适应更广泛的应用场景。例如： - **快速模式：**引入了更快的数据传输速率，最高可达400kbit/s。 - **高速模式：**进一步提升了数据传输速率，最高可达3.4Mbit/s。 #### 快速模式 - 快速模式将位速率提升至400kbit/s，增强了系统的通信效率。 #### Hs模式 **13.1 高速传输** - Hs模式支持高达3.4Mbit/s的位速率，显著提高了数据传输的速度。 - **Hs模式的串行数据传输格式：**定义了高速模式下数据传输的具体格式。 **13.3 从F/S模式切换到Hs模式以及返回** - 规定了从标准模式或快速模式切换到高速模式的方法。 **13.5 串行总线系统的混合速度模式** - 描述了如何在混合速度总线系统中进行数据传输，包括不同模式之间的转换。 #### I/O级和总线线路的电气规范和时序 针对不同模式（如标准模式、快速模式和高速模式）下的电气特性和时序要求进行了详细规定，确保了数据传输的稳定性和可靠性。 #### 结论 I2C总线规范不仅为集成电路间的通信提供了一套标准化的解决方案，而且还随着技术进步而不断发展和完善。通过支持不同的通信速率、寻址机制以及严格的电气规范，I2C总线成为了现代电子设备中不可或缺的部分，极大地促进了设备间的互联互通。