Mary Grace Legaspi 和 Eric Peňa

I2C，即Inter-Integrated Circuit，是一種常用的串行通信協(xié)議，用于在器件之間——特別是兩個或兩個以上不同電路之間建立通信。I2C Primer是最常用的I2C。本文將介紹I2C Primer的基本特性和標準，并重點說明在通信實現(xiàn)過程中如何正確使用該協(xié)議。從I2C的基本原理出發(fā)，我們將介紹其變體子集——系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)——的可用性及二者的區(qū)別。這三種協(xié)議各有專門的功能，旨在滿足不同的客戶需求。

為何重要？

I2C 有利于設計人員在系統(tǒng)的眾多節(jié)點之間建立簡單、雙向、靈活的通信。I2C僅使用兩條雙向線來發(fā)送和接收信息，從而降低了復雜性。它還允許設計人員配置多個主節(jié)點系統(tǒng)IC之間的通信。I2C對管理系統(tǒng)和電源的開發(fā)人員也很有利，讓他們能夠在盡可能短的時間內(nèi)創(chuàng)建高質(zhì)量的產(chǎn)品。

"溝通（通信）對那些致力于溝通（通信）的人有用。"

—John Powell

通信協(xié)議在組織設備之間通信時扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進行設計。此類協(xié)議具有明確的、為實現(xiàn)成功通信而協(xié)商一致的規(guī)則。

如果您曾經(jīng)使用LED顯示器、傳感器甚至加速度計模塊之類的東西構(gòu)建過系統(tǒng)，那么您很可能已經(jīng)使用過I2C。I2C支持多個節(jié)點連接單個主器件和多個主器件連接多個節(jié)點的特性。如果您希望物盡其用，讓一個微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個存儲卡，或向單個LCD顯示文本，則此特性非常有用。

除了最常用的I2C Primer，I2C還有兩個變體，分別專注于系統(tǒng)和電源應用，稱為系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)。

根據(jù)定義，Inter-Integrated Circuit (I2C)——也稱為Inter IC——是一種硬件通信協(xié)議，它通過一條多主器件、多節(jié)點、串行通信總線進行同步通信。同步通信意味著兩個（或兩個以上）交換數(shù)據(jù)的器件共享一條公共時鐘線。I2C廣泛用于將低速外圍IC連接到處理器和微控制器。I2C總線由飛利浦公司設計，它讓位于同一電路板上的器件之間可以輕松通信。

I2C Primer

接口

使用一條串行數(shù)據(jù)(SDA)線、一條串行時鐘(SCL)線和一個公共接地來承載所有通信，最大程度地減少連接。

圖 1. 集成電路彼此直接通信

每個I2C器件有兩條線路：

SDA是供主器件和節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。

SCL是承載時鐘信號的線路。SCL總是由I2C主器件生成。規(guī)范對時鐘信號的低相位和高相位有最短周期要求。

I2C總線僅使用兩條雙向線路：每個器件的SDA和SCL用于簡單的IC間通信。

圖 2. I2C 上拉電阻連接

硬件最重要的注意是在SDA和SCL上加入上拉電阻。I2C器件通過開集或開漏引腳連接到總線，將線路拉低。當沒有數(shù)據(jù)傳輸時，I2C總線處于高電平空閑狀態(tài)；線路被被動拉高。要傳輸數(shù)據(jù)，須切換線路，即先拉低再釋放（又變?yōu)楦唠娖剑?shù)據(jù)位在時鐘下降沿傳輸。

開漏輸出需要一個上拉電阻（圖2中的Rp）才能正確輸出高電平。上拉電阻連接在輸出引腳和高電平所需的輸出電壓（圖2中的VDD）之間。

對于VCC和VDD (5 V)的典型值，4700 Ω是最常用的上拉電阻值。

作為參考，屏蔽2 AWG雙絞線電纜的電容范圍為100 pF?m至240pF?m。因此，I2C鏈路的最大總線長度約為1米（100 kBaud時）或10米（10 kBaud時）。非屏蔽電纜的電容通常要小得多，但只能用在以其他方式加以屏蔽的外殼內(nèi)。

表1總結(jié)了I2C的關(guān)鍵特性。

理論上，尋址模式的最大節(jié)點數(shù)為27或210，但有16個地址保留用于特殊用途。

I2C 是同步的，因此位的輸出通過主器件和節(jié)點之間共享的時鐘信號與位的采樣同步。時鐘信號始終由主器件控制。

保留I2C節(jié)點地址

有16個保留I2C地址。這些地址對應于以下兩種模式之一：0000 XXX或1111 XXX。表2顯示了為特殊目的而保留的I2C地址。

I2C 工作原理

I2C 數(shù)據(jù)在消息中傳輸，消息被分解為數(shù)據(jù)幀。讀寫協(xié)議包含地址幀（即節(jié)點的二進制地址）和另一個數(shù)據(jù)幀，后者包含所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、開始和停止條件、重復起始位、讀?寫位以及每個數(shù)據(jù)幀之間的應答?不應答位。

時序規(guī)格表

I2C 時序表也很重要，因為工程師利用它可以設計出與總線要求兼容的IC。每個數(shù)據(jù)速率都有自己的時序規(guī)格，主器件和節(jié)點必須遵守該規(guī)格才能正確傳輸數(shù)據(jù)。

表3顯示了時序規(guī)格表上給出的符號和參數(shù)。

圖 3. I2C 消息

I2C 傳輸子協(xié)議

總線上的傳輸要么是讀操作，要么是寫操作。讀取和寫入?yún)f(xié)議建立在一系列子協(xié)議之上，例如起始和停止條件、重復起始位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸位和應答?不應答位。

起始條件

顧名思義，起始條件總是在傳輸開始時出現(xiàn)，并由主器件發(fā)起。這樣做是為了喚醒總線上的空閑節(jié)點器件。SDA線從高電平切換到低電平，然后SCL線從高電平切換到低電平。參見圖4。

重復起始條件

在不發(fā)出停止條件的情況下，起始條件可以在傳輸期間重復。這是一種特殊情況，稱為重復起始，用于改變數(shù)據(jù)傳輸方向、重復嘗試傳輸、同步多個IC，甚至控制串行存儲器。參見圖5。

地址幀

地址幀包含7位或10位序列，具體取決于可用性（參見數(shù)據(jù)手冊）。參見圖6。

不像SPI，I2C沒有節(jié)點選擇線路，因此它需要另一種方法來讓節(jié)點知道數(shù)據(jù)正向其發(fā)送，而不是向另一個節(jié)點發(fā)送。這是通過尋址來實現(xiàn)的。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一幀。

主器件將其想要與之通信的節(jié)點地址發(fā)送到其所連接的每個節(jié)點。然后，每個節(jié)點將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，它便向主器件發(fā)送一個低電壓ACK位。如果地址不匹配，則節(jié)點什么也不做，SDA線保持高電平。

讀?寫位

地址幀的最后一位告知節(jié)點，主器件是想要將數(shù)據(jù)寫入其中還是從中接收數(shù)據(jù)。如果主器件希望將數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點，則讀?寫位處于低電平。如果主器件請求從節(jié)點得到數(shù)據(jù)，則該位處于高電平。參見圖7。

ACK?NACK位

消息中的每一幀后面都跟隨一個應答?不應答位。如果成功接收到一個地址幀或數(shù)據(jù)幀，則接收器件會向發(fā)件者返回一個ACK位。

圖例：在下面的圖中，白色框表示節(jié)點，藍色框表示主器件。參見圖8。

圖 4. 起始條件

圖 5. 重復起始條件

圖 6. 地址幀

圖 7. 讀 / 寫位

圖 8. 應答 / 不應答位

數(shù)據(jù)幀

主器件檢測到來自節(jié)點的ACK位之后，就準備發(fā)送第一數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀總是8位長，并以MSB優(yōu)先方式發(fā)送。每個數(shù)據(jù)幀之后緊接著一個ACK?NACK位，以驗證該幀是否已成功接收。主器件或節(jié)點（取決于誰發(fā)送數(shù)據(jù)）必須收到ACK位，然后才能發(fā)送下一數(shù)據(jù)幀。參見圖9。

停止條件

發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀之后，主器件可以向節(jié)點發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是指SCL線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖剑缓笤赟CL線保持高電平的情況下，SDA線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

在SCL線從低電平切換到高電平后，SDA線從低電平切換到高電平。參見圖10。

I2C傳輸步驟：寫入

有關(guān)寫入單個數(shù)據(jù)的I2C傳輸?shù)氖纠垍⒁妶D11。

第1步

主器件將SDA線從高電平切換到低電平，然后將SCL線從高電平切換到低電平，以將起始條件發(fā)送到每個相連的節(jié)點。

第2步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點的7位或10位地址以及寫操作位發(fā)送給每個節(jié)點。

例如，7位地址為0x2D，加上寫操作位（相當于0），結(jié)果將是0x5A。

第3步

每個節(jié)點將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點便將SDA線拉低一位的時間，以返回一個ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點讓SDA線保持高電平不變。

在SCL的第九個脈沖期間拉低SDA線路可以發(fā)送ACK位，保持浮空高電平則為NACK。

第4步

主器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀。

第5步

傳輸完每個數(shù)據(jù)幀之后，接收器件再向發(fā)送者返回一個ACK位，以確認成功接收該幀。

第6步

若要停止數(shù)據(jù)傳輸，主器件應將SCL切換為高電平，然后將SDA切換為高電平，從而發(fā)送停止條件。

圖 11.寫入單個位置的 I2C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊示例

圖 12. 讀取單個位置的 I2C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊示例

I2C數(shù)據(jù)傳輸步驟：讀取

第1步

主器件將SDA線從高電平切換到低電平，然后將SCL線從高電平切換到低電平，以將起始條件發(fā)送到每個相連的節(jié)點。

第2步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點的7位或10位地址以及寫操作位發(fā)送給每個節(jié)點。

例如，7位地址為0x2D，加上寫操作位（相當于0），結(jié)果將是0x5A。

第3步

每個節(jié)點將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點便將SDA線拉低一位的時間，以返回一個ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點讓SDA線保持高電平不變。

第4步

經(jīng)過初始啟動、尋址和應答之后，主器件已經(jīng)知道目標節(jié)點及指向的地址，因此某些器件具有重復起始條件來清理事務。

注意：僅用于閱讀目的！

第5步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點的7位或10位地址以及讀操作位發(fā)送給每個節(jié)點。

例如，7位地址為0x2D，加上讀操作位（相當于1），結(jié)果將是0x5B。

第6步

每個節(jié)點將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進行比較。如果地址匹配，節(jié)點便將SDA線拉低一位的時間，以返回一個ACK位。如果來自主器件的地址與節(jié)點自己的地址不匹配，則節(jié)點讓SDA線保持高電平不變。

第7步

得到ACK位之后，主器件接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)幀。

第8步

傳輸完每個數(shù)據(jù)幀之后，主器件再向發(fā)送者返回一個ACK位，以確認成功接收該幀，或者如果讀取請求已經(jīng)完成，則主器件返回NACK。

第9步

若要停止數(shù)據(jù)傳輸，主器件應將SCL切換為高電平，然后將SDA切換為高電平，從而發(fā)送停止條件。

單個主器件和多個節(jié)點

I2C使用尋址，所以單個主器件可以控制多個節(jié)點。使用7位地址可提供128 (27)個唯一地址。使用10位地址很罕見，但可提供1024 (210)個唯一地址。要將多個節(jié)點連接到單個主器件，請使用4.7 kΩ上拉電阻連接這些節(jié)點，并將SDA和SCL線連接到VCC。

多個主器件和多個節(jié)點

多個主器件可以連接到單個節(jié)點或多個節(jié)點。如果同一系統(tǒng)中有多個主器件，那么當兩個主器件爭著在同一時間通過SDA線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，就會出現(xiàn)問題。

為了解決這個問題，每個主器件在傳輸消息之前，需要檢測SDA線是低電平還是高電平。

如果SDA線為低電平，則說明總線由另一個主器件控制，該主器件應等待。如果SDA線為高電平，則它可以安全傳輸消息。要將多個主器件連接到多個節(jié)點，請按照圖13所示，使用4.7 kΩ上拉電阻將SDA和SCL線連接到VCC。

圖 13. 連接多個節(jié)點的多個主器件

仲裁

若干I2C多主器件可以連接到同一I2C總線并同時運行。通過不斷監(jiān)視SDA和SCL有無起始和停止條件，它們可以確定總線是否空閑。如果總線正忙，主器件將延遲掛起的I2C傳輸，直至停止條件指示總線再次空閑。

但是，可能發(fā)生兩個主器件同時開始傳輸?shù)那闆r。在傳輸過程中，主器件不斷監(jiān)視SDA和SCL。如果其中一個檢測到SDA為低電平，而它應該為高電平，則該主器件將認為另一主器件處于活動狀態(tài)，因而立即停止傳輸。此過程稱為仲裁。兩個主器件都會生成起始位并繼續(xù)各自的傳輸。

如果主器件恰好選擇相同的邏輯電平，則什么也不會發(fā)生。

一旦主器件嘗試施加不同的邏輯電平，則將信號拉低的主器件將被宣布為獲勝者；失敗者將檢測到邏輯不匹配，因而放棄傳輸。

請花點時間理解一下這種安排的簡單性和有效性：

獲勝者繼續(xù)傳輸而不中斷——沒有數(shù)據(jù)損壞，沒有驅(qū)動器爭用，不需要重新啟動事務。

理論上，失敗者可以在仲裁過程中監(jiān)視節(jié)點地址，如果恰好是被尋址的節(jié)點，它可以做出適當?shù)捻憫?/p>

如果相互競爭的主器件均請求同一節(jié)點的數(shù)據(jù)，則仲裁過程不會不必要地中斷任一事務——不會檢測到不匹配，節(jié)點會將其數(shù)據(jù)輸出到總線，多個主器件可以接收到數(shù)據(jù)。

時鐘延展

也稱為時鐘同步。

注意：I2C規(guī)范沒有為時鐘延展規(guī)定任何超時條件——也就是說，任何器件都可以根據(jù)需要保持SCL。

在I2C通信協(xié)議中，時鐘速度和信號始終由主器件產(chǎn)生。I2C主器件產(chǎn)生的信號提供主器件和節(jié)點連接之間的同步。

在某些情況下，節(jié)點或子節(jié)點不是以全狀態(tài)工作，在接收主器件生成的時鐘之前，需要減慢速度。這是通過一種稱為"時鐘延展"的機制來實現(xiàn)的。

在時鐘延展期間，為了降低總線速度，允許節(jié)點壓低時鐘。而在主器件方面，在其變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，必須回讀時鐘信號。然后，它必須等待，直至線路達到高電平狀態(tài)。

帶寬

雖然時鐘延展是一種常見做法，但它對帶寬有影響。使用時鐘延展時，共享總線的總帶寬可能會顯著降低。即使使用這種技術(shù)，總線性能仍然必須可靠且快速。有必要考慮使用時鐘延展的估計影響，尤其是在多個器件共享I2C總線的情況下。

圖 14. 微控制器數(shù)據(jù)手冊

通過時鐘延展，I2C節(jié)點器件可以強制主器件進入等待狀態(tài)。當節(jié)點器件需要更多時間來管理數(shù)據(jù)時，例如存儲接收到的數(shù)據(jù)或準備發(fā)送另一字節(jié)的數(shù)據(jù)時，它可能會執(zhí)行時鐘延展。這通常發(fā)生在節(jié)點器件接收并確認收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后。

哪些I2C節(jié)點器件需要時鐘延展？

是否需要時鐘延展取決于節(jié)點器件的功能。這里有兩個例子：

處理器件（如微處理器或微控制器）可能需要額外的時間來處理中斷，接收和管理數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行適當?shù)墓δ堋?/p>

較簡單的器件（如EEPROM）不在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，因此不需要時鐘延展來執(zhí)行任何功能。

I2C 數(shù)據(jù)手冊示例概述

不同公司和制造商采用不同方法來創(chuàng)建數(shù)據(jù)手冊。圖13顯示了一個簡單的數(shù)據(jù)手冊示例和基本I2C細節(jié)，包括寄存器和電子規(guī)格。

圖15. 微控制器存儲器映射

表4顯示了最常用的I2C寄存器。名稱和描述可能因數(shù)據(jù)手冊而異，但功能和用法相同。

I2C的創(chuàng)建可能因使用情況而異。表5顯示了基本I2C驅(qū)動程序API要求的示例。

SMBus

眾所周知，SMBus可用于需要對參數(shù)進行關(guān)鍵監(jiān)控的應用。它最常見的應用是計算機主板和嵌入式系統(tǒng)。對于溫度、電源電壓、風扇監(jiān)控和?或控制集成芯片，它有額外的監(jiān)控規(guī)范。

SMBus是一種2線總線，類似于飛利浦公司于1980年代開發(fā)的I2C總線。兩個主要信號是時鐘(SMBCLK)和數(shù)據(jù)(SMBDAT)。I2C Primer和SMBus相互兼容，但存在明顯差異，例如：

SMBus邏輯電平閾值是固定的，與器件的電源電壓不成比例。因此，具有不同電源電壓的器件可以在同一Primer上運行。例如，一個SMBus可能具有多個由1.8 V、3.3 V和5 V電源供電的器件。

它們都以最高100 kHz的相同速度運行，但I2C Primer有400 kHz和2 MHz兩個版本。

SMBus規(guī)定了最低時鐘速度，并限制了時鐘在一個事務中可以延展的量。違反超時限制會導致所有SMBus器件復位其I?O邏輯以允許總線重啟。這種設計增強了總線的魯棒性。

二者的超時也不同。I2C Primer沒有超時，而SMBus有超時——對于10 kHz最低時鐘速度，可以考慮35 ms的超時。

分組差錯校驗(PEC)最初是為SMBus定義的。在每個事務的末尾添加一個分組錯誤碼字節(jié)。

其余的一些差異涉及傳輸類型、警報線、暫停線、關(guān)斷或上電。

SMBus器件每次收到其自己的地址時，無論在做什么，它都必須應答(ACK)，這是一個明確要求，目的是確保主器件可以準確地判斷總線上哪些器件處于活動狀態(tài)。

所有SMBus事務都通過指定的SMBus協(xié)議之一執(zhí)行。

SMBus還有一個可選信號SMBALERT#，節(jié)點器件可以使用該信號快速通知主器件或系統(tǒng)主機，它有主器件需要的信息，例如報告故障情況。

圖16. SMBus拓撲結(jié)構(gòu)

SMBus上拉電路

圖17. SMBus上拉電路

SMBus地址

SMBus地址有7個二進制位，通常表示為前4位、后3位以及最后一個字母b，例如0001 110b。這些地址占據(jù)總線上一個8位字段的高7位。然而，該字段的最低位另有含義，不屬于SMBus地址的范圍。

圖18. 節(jié)點地址

7位目標地址從主器件發(fā)送到總線上的一個或多個器件（例如通過廣播地址）。

請注意，起始條件和停止條件是轉(zhuǎn)換，而不是位，在符號上方未顯示位計數(shù)。在事務圖中顯示時，重復起始也是一個轉(zhuǎn)換，而不是一位，在符號上方也不顯示位計數(shù)。

圖19. SMBus消息

SMBus時序測量

PMBus：重新定義電源管理

除了SMBus之外，還有一個變體PMBus，它是一種開放標準電源管理協(xié)議。這種靈活且高度通用的標準允許基于模擬和數(shù)字技術(shù)的器件之間進行通信，并提供真正的互操作性，由此將能降低電源系統(tǒng)設計的復雜性并縮短產(chǎn)品上市時間。

PMBus用于帶有電源控制和管理器件的電源的數(shù)字管理。它具有支持電源管理要求的命令和結(jié)構(gòu)。這意味著I2C Primer和PMBus在電氣要求和命令語義上是兼容和可互操作的。

電源管理的基本參數(shù)之一是過壓電平監(jiān)控，PMBus提供了設置和讀取該值的命令。PMBus可以附加在I2C Primer和SMBus的已有特性上，充當現(xiàn)有標準（尤其是SMBus）之上的協(xié)議層。

I2C 規(guī)范僅描述了2線總線的物理層、時序和流控制。I2C規(guī)范沒有（像SMBus協(xié)議那樣）描述消息的格式，也沒有描述消息的內(nèi)容。

PMBus規(guī)范是一個完整的電源管理協(xié)議。它說明了如何將比特和字節(jié)從一個器件傳送到另一個器件（即傳輸）。它還描述了一種命令語言，賦予這些比特和字節(jié)以意義。

尋址

對于冗余系統(tǒng)，一旦電源安裝到系統(tǒng)中，最多有三個信號來設置電源的地址位置：地址2、地址1和地址0。對于非冗余系統(tǒng)，電源器件地址位置應為B0h。

硬件

針對基于I2C VDD的電源和驅(qū)動（對于VDD = 3.3 V），電源中的器件應與SMBus 2.0高功率規(guī)范兼容。該總線應以3.3 V運行。

電源

電源內(nèi)部的電路應從備用輸出獲得電源。對于冗余電源，器件應從"邏輯或"器件的系統(tǒng)側(cè)供電。只要系統(tǒng)中的電源或并聯(lián)冗余電源接通交流電源，PMBus器件就應處于開啟狀態(tài)。

上拉電阻

電源內(nèi)部的SCL或SDA線上只能使用弱上拉電阻。主要上拉電阻由系統(tǒng)提供，可以連接到3.3 V或5 V。對于系統(tǒng)設計，主要上拉電阻應位于電源外部，并從備用電源軌獲取電源。

數(shù)據(jù)速度

電源中的PMBus器件應以100 kbps SMBus全速運行，并盡可能避免使用時鐘延展，因為它會減慢總線速度。

總結(jié)

表8概述并總結(jié)了I2C Primer、SMBus（高功率和低功率）、PMBus的信號、時序和電氣規(guī)格。

I2C Primer、SMBus和PMBus有何關(guān)系？

SMBus最初開發(fā)用于協(xié)助電池管理系統(tǒng)，使用I2C硬件，但增加了第二級軟件，最終允許器件熱插拔，而無需重新啟動系統(tǒng)。PMBus擴展了SMBus，定義了一組專門用于管理功率轉(zhuǎn)換器的器件命令，暴露了器件的測量電壓、電流、溫度等屬性。一般而言，I2C Primer、SMBus和PMBus器件可以共享總線而不會發(fā)生什么大問題。

I2C、SMB、PMB的優(yōu)勢

僅使用兩條線

具有ACK?NACK位

廣為人知的協(xié)議

支持多個主器件和多個節(jié)點

硬件不如UART復雜

廣泛使用的方法

缺點

數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢

數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

實現(xiàn)所需的硬件比SPI復雜

圖20. SMBus時序測量

用例

傳感器讀取

傳感器寫入

EEPROM、溫度傳感器、觸摸屏、接近傳感器

傳輸和控制用戶指引的操作

與多個微控制器通信

消費類電子設備

系統(tǒng)管理

電源管理

調(diào)試

審核編輯：郭婷