1 前言
I2C總線是具備多CPU系統(tǒng)所需的包括仲裁和高低速設(shè)備同步等功能的高性能串行總線。它以兩根連線實(shí)現(xiàn)完善的全雙工數(shù)據(jù)傳送，是各種總線中使用信號(hào)線根數(shù)最少，并具有自動(dòng)尋址、多主機(jī)時(shí)鐘同步和仲裁等功能的總線。
目前世界上采用的I2C總線有兩種規(guī)范，它們分別是由荷蘭飛利浦公司和日本索尼公司提出的。現(xiàn)在廣泛采用的是飛利浦公司的I2C總線技術(shù)規(guī)范，它已成為被電子行業(yè)認(rèn)可的總線標(biāo)準(zhǔn)。
由于I2C總線具有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范及眾多帶I2C接口的外圍器件，使得使用I2C總線設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變得十分方便、靈活，體積也小，因此在各類實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛使用。
2 I2C總線的基本原理
2.1 I2C總線基本結(jié)構(gòu)
I2C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。I2C總線只有兩根信號(hào)線，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。所有進(jìn)入I2C總線系統(tǒng)中的器件都帶有I2C總線接口，符合I2C總線電氣規(guī)范的特性；而且采用純軟件尋址方法，無需器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個(gè)功能器件掛靠或摘離總線，還可對(duì)其工作狀況進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)即簡單又靈活的擴(kuò)展與控制。各器件供電可不同，但需共地。另外，SDA、SCL需分別接上拉電阻。
SDA、SCL都是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出端電路必須是集電極開路輸出或開漏輸出，以具有線“與”功能。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit／s，快速模式下可達(dá)400kbit／s，高速模式下則可達(dá)3.4Mbit／s。
I2C總線接口電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳送
I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)必須遵循規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送格式，如圖2所示為一次完整的數(shù)據(jù)傳送格式。啟動(dòng)信號(hào)表明一次傳送的開始，其后為尋址字節(jié)，該尋址字節(jié)由高7位地址和最低1位方向位組成：方向位為“0”表明寫操作，“1”表明讀操作；在尋址字節(jié)后是由方向位指定讀、寫操作的數(shù)據(jù)字節(jié)與應(yīng)答位；在數(shù)據(jù)傳送完成后為停止信號(hào)。在“啟動(dòng)”與“停止”之間傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)從理論上來說沒有限制，但每個(gè)字節(jié)必須為8位，而且每個(gè)傳送的字節(jié)后面必須跟一個(gè)應(yīng)答位。
當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑x為啟動(dòng)信號(hào)；當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑x為停止信號(hào)。
在SCL為高電平時(shí)，SDA上數(shù)據(jù)需保持穩(wěn)定方被認(rèn)為有效；只有在SCL為低電平時(shí)，才允許SDA電平狀態(tài)變化。
2.3時(shí)鐘信號(hào)的同步
在I2C總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘。可見，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長的器件確定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。
2.4 總線競爭的仲裁
總線上可能掛接有多個(gè)器件，有時(shí)會(huì)發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線的情況，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對(duì)發(fā)生在SDA線上的總線競爭進(jìn)行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當(dāng)多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線時(shí)，如果某個(gè)主器件發(fā)送高電平，而另一個(gè)主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時(shí)SDA總線電平不符的那個(gè)器件將自動(dòng)關(guān)閉其輸出級(jí)。總線競爭的仲裁是在兩個(gè)層次上進(jìn)行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個(gè)從器件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進(jìn)行仲裁，因此不會(huì)造成信息的丟失。
3 I2C總線接口邏輯的構(gòu)成
3.1 I2C總線接口電路的結(jié)構(gòu)
I2C總線接口邏輯框圖如圖5所示。
在電路設(shè)計(jì)中，各功能塊的硬件實(shí)現(xiàn)介紹如下。
啟動(dòng)、停止檢測電路應(yīng)用兩個(gè)D觸發(fā)器來分別響應(yīng)SDA在SCL為高電平時(shí)的電平跳變。
移位寄存器電路由9個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)成9級(jí)移位寄存器，包括8位字節(jié)和1位應(yīng)答位，實(shí)現(xiàn)SDA上數(shù)據(jù)的串并行轉(zhuǎn)換。寄存器復(fù)位值為“111111110”，接收8位字節(jié)后為“0D7D6D5D4D3D2D1D0”，即應(yīng)答位為“0”，在第9個(gè)時(shí)鐘時(shí)輸出低電平作為應(yīng)答信號(hào)。
可編程地址發(fā)生器電路生成器件地址，7位器件地址由器件編號(hào)地址(高4位)和引腳地址(低3位)組成。通過改變器件引腳的連接方式，就可改變器件地址，因此使應(yīng)用方便靈活。
地址比較器電路由門電路組成布爾代數(shù)式邏輯，對(duì)尋址字節(jié)進(jìn)行判斷。若地址正確則將RS觸發(fā)器置“1”，使能譯碼器輸出。
3.2 I2C總線接口工作流程
I2C總線接口工作流程如圖6所示。
3.3 Verilog仿真程序
4 結(jié)束語
目前采用I2C技術(shù)的單片機(jī)以及外圍器件已廣泛應(yīng)用于家用電器、通訊設(shè)備及各類電子產(chǎn)品中，而且應(yīng)用范圍將會(huì)越來越廣。