I2C的协议层和物理层

I2C 协议简介

     I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

     在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32 标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

     下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。

I2C 物理层

     I2C 通讯设备之间的常用连接方式见图 24-1。

     它的物理层有如下特点：

     (1) 它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。

     (2) 一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。

     (3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

     (4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

     (5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

     (6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多 I 2C 设备尚不支持高速模式。

     (7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

协议层

     I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

1. I2C 基本读写过程

     先看看 I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 24-2、图 24-3 及图 24-4。

     其中 S 表示由主机的 I2C 接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C 总线上的所有从机都会接收到这个信号。

     起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来 广播 的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C 协议，这个从机地址可以是 7 位或 10 位。

     在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1 时，则相反，即主机由从机读数据。

     从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

            写数据

     若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

            读数据

     若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

           读和写数据

     除了基本的读写，I2C 通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

     以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

2. 通讯的起始和停止信号

     前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 24-5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

3. 数据有效性

     I2C 使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL 信号线进行数据同步。见图 24-6。SDA 数据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL 为高电平的时候 SDA 表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL 为低电平时，SDA 的数据无效，一般在这个时候 SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

4. 地址及数据方向

     I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W —— )，第 8 位或第 11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 24-7。

5. 响应

     I2C 的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到 I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 24-8。

软件 I2C 和硬件 I2C

     想要控制 STM32 产生 I2C 方式的通讯，可以采用软件模拟或硬件 I2C 这两种方式。

     所谓软件模拟，即直接使用 CPU 内核按照 I2C 协议的要求控制 GPIO 输出高低电平。如控制产生 I2C 的起始信号时，见图 24-5，先控制作为 SCL 线的 GPIO 引脚输出高电平，然后控制作为 SDA 线的 GPIO 引脚在此期间完成由高电平至低电平的切换，最后再控制 SCL 线切换为低电平，这样就输出了一个标准的 I2C 起始信号。

     而硬件 I2C 是指直接利用 STM32 芯片中的硬件 I2C 外设，该硬件 I2C 外设跟 USART 串口外设类似，只要配置好对应的寄存器，外设就会产生标准串口协议的时序。使用它的 I2C 外设则可以方便地通过外设寄存器产生 I2C 协议方式的通讯，如初始化好 I2C 外设后，只需要把某寄存器位置 1，那么外设就会控制对应的 SCL 及 SDA 线自动产生 I2C 起始信号，而不需要内核直接控制引脚的电平。

     相对来说，硬件 I2C 直接使用外设来控制引脚，可以减轻 CPU 的负担。不过使用硬件 I2C 时必须使用某些固定的引脚作为 SCL 和 SDA，软件模拟 I2C 则可以使用任意 GPIO 引脚，相对比较灵活。在本开发板中，由于 STM32RCT6 芯片引脚较少，资源比较紧张，在设计硬件时不方便使用硬件 I2C 指定的引脚连接外部设备（EEPROM 存储器芯片），所以在控制程序上只能使用软件模拟 I2C 的方式。