I2C（IIC）协议讲解

目录

1.I2C框架介绍

1.1 I2C硬件框架

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种用于短距离通信的总线协议，它允许多个设备共享相同的总线，在嵌入式系统、传感器、EEPROM、实时时钟（RTC）等场景中广泛使用。

I2C 硬件框架可以分为以下几个关键点：

  • I2C 控制器：通常嵌入在 SoC（系统级芯片）内部，管理 I2C 通信协议。一个 SoC 可以包含多个 I2C 控制器。
  • I2C 设备：通过 I2C 总线连接到控制器的外围设备，如传感器、EEPROM、ADC、DAC 等。一个 I2C 总线上可以挂载多个设备。
  • I2C 总线：I2C 通信仅需要两条总线：SCL（时钟线）和 SDA（数据线）。SCL 由 I2C 控制器生成时钟信号，SDA 则用于双向数据传输。SCL 和 SDA 线通常都需要上拉电阻来确保正确的信号电平。

1.2 I2C软件框架

以 I2C EEPROM 存储设备 AT24C02 为例，软件框架可以分成以下几层：

  1. 应用层 (APP)：
    • 直接向设备提出需求，例如将字符串 "www" 写入到 AT24C02 EEPROM 的某个地址。
    • 不关心底层细节，只调用设备驱动提供的接口来实现需求。
  2. I2C 设备驱动 (AT24C02 驱动)：
    • 设备驱动负责与 I2C 设备（如 AT24C02）打交道，知晓设备的地址和数据格式。
    • 根据 I2C 协议构造数据和命令，例如写入、读取数据，发送地址等。
    • 知道如何判断操作是否成功，例如通过 I2C ACK/NACK 信号。
    • 最终通过控制器驱动将命令和数据发送给设备。
  3. I2C 控制器驱动：
    • 负责根据 I2C 协议处理信号交互，如生成 SCL 时钟、发送/接收 SDA 上的数据。
    • 执行 I2C 协议所需的启动信号、停止信号、发送设备地址、发送数据等低级操作。
    • 控制器驱动通过硬件或 GPIO 模拟方式实现通信。

1.3 对于Linux

从I2C 框架在 Linux 中可以划分为以下几个层次：

  1. I2C 协议：
    • I2C 协议规定了主设备与从设备之间如何通信，如主设备先发送设备地址，再发送读/写命令，以及如何握手（通过 ACK/NACK 确认操作是否成功）。
  2. 访问 I2C 设备的两类驱动程序：
    • I2C 设备驱动程序：直接为 I2C 设备提供接口，帮助用户应用层与 I2C 设备通信。
    • i2c-dev.c 驱动程序：这是 Linux 内核自带的通用 I2C 驱动，允许用户空间通过 /dev/i2c-X 设备文件直接访问 I2C 总线上的设备。用户空间可以通过 I2C-tools 提供的工具（如 i2cget, i2cset 等）直接与设备通信。
  3. I2C 控制器驱动程序
    • 负责驱动芯片内的 I2C 控制器。每个 I2C 控制器驱动程序被称为 adapter，这些驱动程序负责执行 I2C 总线的实际传输任务。
    • GPIO 模拟 I2C 控制器：如 i2c-gpio.c，通过 GPIO 来模拟 I2C 总线信号，实现软 I2C 控制。

I2C 在 Linux 中的工作流程

  1. 应用程序 (APP)：应用通过设备文件 /dev/i2c-X 或通过设备驱动程序发起 I2C 请求。
  2. I2C 设备驱动：设备驱动程序将设备地址、数据等转换为 I2C 命令，并发给 I2C 控制器驱动。
  3. I2C 控制器驱动：控制器驱动解析命令，并生成符合 I2C 协议的信号传输给从设备。
  4. I2C 设备：接收数据并执行相应操作，如写入 EEPROM 或读取传感器数据。

2. I2C协议

2.1 传输数据的格式

  1. 写操作

Start Addr Wr [A] Data [A] Data [A] … [A] Data [A] P

传输的数据格式，表黄的表示此时传输的数据来自从设备

  • Start：开始信号
  • Addr：要传输的I2C设备的地址，一般是7bit
  • Wr：方向，写。1bit表示，写是0
  • [A]：I2C设备的回应，找到I2C设备了，它是不是得给个回应说我是你要找到人。然后主设备发送数据给I2C设备，它是不是也得回应说我收到了
  • Data：不用多说了，就是数据，一般是8bit
  • P：结束信号
  1. 读操作

需要注意的是，主角是主设备哦，比如I2C控制器

Start Addr Rd [A] [Data] A [Data] A … A [Data] NA P

  • Start：开始信号
  • Addr：要传输的I2C设备的地址
  • Rd：方向，读。1bit表示，读是1
  • [A]：I2C设备的回应，找到I2C设备了，它是不是得给个回应说我是你要找到人。然后I2C设备就可以开始传输信号了
  • A：主设备的回应，诶？I2C外设给我发消息了，我收到了是不是得给个回应？？
  • Data：数据
  • P：结束信号

2.2 时序图

这里讲的是以传输addr找到I2C设备为例子画的，而找到后，I2C控制器（主设备）拉低SCL上的电平超过一定时间，就可以开始传输数据了。

  1. 开始信号 (Start Condition, S):
    • 定义: 当时钟线 (SCL) 为高电平时，数据线 (SDA) 从高电平跳变为低电平，表示开始传输数据。
    • 主设备（Master）向从设备（Slave）发起通信前必须发送开始信号。
  2. 字节传输 (Data Transmission):
    • 数据格式: 数据传输是逐位进行的，总共传输 8 位（1 个字节）。
    • 传输顺序: I2C 协议规定，数据传输是 从最高位 (MSB) 开始，依次传输到最低位 (LSB)。
    • 时钟同步:
      • 数据在线（SDA）上的数据必须在时钟线（SCL）为 高电平期间保持稳定，SCL 高电平表示数据有效。
      • 数据的状态只能在 SCL 为 低电平时 发生变化。
  3. 响应信号 (Acknowledge, ACK):
    • 定义: 在每个 8 位数据传输完成后，接收方会在第 9 个时钟周期拉低 SDA 线，表示成功接收数据，这就是 ACK 信号。
    • 角色区分:
      • 从设备在接收到来自主设备的数据后发送 ACK。
      • 主设备在接收到来自从设备的数据后也会发送 ACK 以确认接收。
    • 失败信号 (NACK): 如果接收方不拉低 SDA（即 SDA 保持高电平），则表示发送失败（NACK）。
  4. 结束信号 (Stop Condition, P):
    • 定义: 当时钟线 (SCL) 为高电平时，数据线 (SDA) 从低电平跳变为高电平，表示数据传输结束。
    • 重要性: 在数据传输完成后，主设备发送停止信号，释放总线以便其他设备使用。

I2C 信号的电平要求

  • SDA 数据线上的数据只能在 SCL 时钟线为 低电平时 变化。
  • SDA 数据线必须在 SCL 时钟线为 高电平时 保持稳定。任何高电平期间的变化都可能被解读为开始或停止信号。

I2C 数据传输示例

  1. 开始信号 (S):
    • 主设备拉低 SDA（在 SCL 高电平期间），发起通信。
  2. 数据传输:
    • 发送 8 位数据：1 0 1 1 0 1 0 0。
    • 在 SCL 每次上升沿时，SDA 上的数据被从设备读取。
  3. 响应信号 (ACK):
    • 第 9 个时钟周期时，接收方（从设备）在 SCL 高电平时，将 SDA 拉低，表示成功接收到数据。
  4. 结束信号 (P）:
    • 主设备在 SCL 高电平时，将 SDA 拉高，表示结束通信。
SCL:  __|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_|‾|___
SDA:  --------|数据位|--------|ACK|--------  (Start/Stop信号)

       数据稳定   SDA在时钟上升沿前准备好数据，时钟高电平期间数据不变
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4

2.3 协议细节

I2C 总线是通过 SDA 线实现双向数据传输的，主设备和从设备都可以通过该线传输数据。I2C 协议的设计确保了不同设备不会同时驱动 SDA，从而避免总线冲突，以下是具体的工作机制：

  1. SDA 双向传输的实现
  • SDA 线上有两个方向的数据流，一个是主设备向从设备发送数据，另一个是从设备向主设备发送数据。
  • 连接到 SDA 线的引脚内部包含 两个端口（发射端和接收端），这样主设备可以在同一根 SDA 线上既发数据也接收数据。
  1. 主从设备如何错开时间来发送数据？

I2C 协议规定，传输过程中，时钟线 (SCL) 上的 9 个时钟周期分为两部分：

  • 前 8 个时钟：由主设备（或从设备）发送数据；
  • 第 9 个时钟：用于接收设备发送回应信号（ACK 或 NACK），即数据确认信号。

这种安排避免了主设备和从设备在同一时刻发送数据，从而实现了通信的同步协调。

  • 如果主设备在前 8 个时钟发送数据，则第 9 个时钟由从设备通过 SDA 发送确认信号。
  • 如果从设备在前 8 个时钟发送数据，则第 9 个时钟由主设备发送确认信号。
  1. 如何确保一个设备发送数据时，另一个设备不会干扰 SDA？

为了确保在一个设备发送数据时，另一个设备不会影响 SDA 上的数据传输，I2C 采用了 开漏电路（Open-Drain/开极电路） 配合 上拉电阻 来实现。

  • 开漏电路（Open-Drain）：设备的 SDA 引脚接入三极管，并采用开漏配置（或 CMOS 管的开极配置），可以通过三极管的导通与否控制 SDA 线的电平。具体控制机制如下：
    • 三极管导通时：SDA 被拉低到 0（低电平）；
    • 三极管不导通时：SDA 通过上拉电阻被拉高到 1（高电平）。
  • 上拉电阻的作用：
    • 当某一设备不想影响 SDA 线时，它通过不驱动三极管（不导通）让 SDA 维持高电平；
    • 如果设备想输出低电平，它会驱动三极管让 SDA 变为低电平。

来看一下SDA内部，两个NPN三极管，三极管导通的时候，其实就相当于SDA整条线都接地了，那肯定就被拉低为0

三极管的特性就是，当E接地的时候，B作为控制引脚，当B输出高电平，那么三极管就导通了，如果B输出低电平那么就不导通。

而只要主设备和从设备的三极管都不导通，那么SDA就不是接地，也就是被上拉电阻3.3V拉高，成高电平，就是bit1了，比较好懂吧

上图就是SDA什么时候为0，什么时候为1的真是表，A和B就是三极管各自的控制引脚

  1. 工作示例：主设备发送 8-bit 数据给从设备
  • 前 8 个时钟周期：
    • 主设备控制 SDA 线，决定发送的数据。
    • 如果主设备发送 1，它不驱动三极管，SDA 被上拉电阻拉高为 1；
    • 如果主设备发送 0，它驱动三极管，让 SDA 变为 0；
    • 从设备在此期间不驱动 SDA 引脚（三极管处于不导通状态），避免干扰。
  • 第 9 个时钟周期（ACK/NACK）：
    • 轮到从设备在第 9 个时钟周期通过 SDA 发送应答信号。
    • 如果从设备接收到数据并确认，则驱动三极管，让 SDA 变为 0，表示发送 ACK（应答信号）。
    • 如果从设备不接收数据，则 SDA 保持高电平，表示 NACK（非应答信号）。

通过这种机制，I2C 实现了在单根 SDA 线上进行主从设备的双向数据传输。

  1. SCL 上拉电阻的作用

I2C 总线中的 SCL 时钟线 也使用上拉电阻，目的是在特定情况下允许主或从设备控制时钟线的状态，确保通信的同步。

  • 时钟拉低（Clock Stretching）：
    • 在第 9 个时钟周期之后，如果从设备需要更多时间处理数据，它可以拉低 SCL（通过驱动三极管），暂停通信。此时，I2C 总线将保持暂停状态，直到从设备完成操作。
    • 当从设备就绪时，它会停止驱动三极管，SCL 通过上拉电阻恢复为高电平，通信可以继续。

这种设计允许从设备控制通信的节奏，确保数据能够被正确处理和传输。

专栏

设备树和总线
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