01我們習(xí)以為常的IIC通常是什么樣子？

在我們研發(fā)/應(yīng)用工程師眼中，IIC的形象通常是如圖這樣的吧？（你們說(shuō)是不是？）

是的，對(duì)于理想的硬件調(diào)程序，這個(gè)層面已經(jīng)基本夠用。（我是已經(jīng)get到了）

02IIC還可以是這樣的

簡(jiǎn)單實(shí)用的IIC電平匹配電路，原理很簡(jiǎn)單、也很巧妙。

Si8400芯片，做UART或者IIC隔離是很不錯(cuò)的。做隔離也有實(shí)際意義的：

比如涉及強(qiáng)電的板子，需要隔離后的UART口打印調(diào)試信息，方便debug；電容式觸摸按鍵調(diào)試中，某些產(chǎn)品采用隔離的IIC接口（如Azoteq，Cypress等芯片大部分采用IIC）調(diào)試能得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)（原理上涉及到人體大地等構(gòu)成的寄生電容，挺有意思，可以看創(chuàng)易棧的觸摸按鍵相關(guān)內(nèi)容）。

有朋友會(huì)問(wèn)，我見(jiàn)過(guò)5V芯片和3V芯片，直接把IIC接在一起的，不需要做電壓匹配呀？

這個(gè)不建議用。需要仔細(xì)看數(shù)據(jù)手冊(cè)的：一般來(lái)說(shuō)3V芯片的I/O都有如圖的保護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致SCL、SDA信號(hào)高電平被限制在3V+0.3V，5V芯片經(jīng)常不能正確識(shí)別的。

03支持雙電壓的高速IIC接口

TI的TXS0102帶OE功能的高速IIC接口芯片。

這個(gè)有什么好處呢？

當(dāng)然有，除了支持電平匹配；從它的MOS結(jié)構(gòu)也可以看出，對(duì)SCL和SDA的上升邊緣有個(gè)加速過(guò)程，速度可以支持到2Mbps喔。

04觸碰IIC的核心

每一個(gè)IIC總線器件內(nèi)部的SDA、SCL引腳電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，引腳的輸出驅(qū)動(dòng)與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開(kāi)路的場(chǎng)效應(yīng)管、輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器［1］。這種電路具有兩個(gè)特點(diǎn)：

①由于SDA、SCL為漏極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，借助于外部的上拉電阻實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的“線與”邏輯；

②引腳在輸出信號(hào)的同時(shí)還將引腳上的電平進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否與剛才輸出一致。為 “時(shí)鐘拉伸”和“總線仲裁”提供硬件基礎(chǔ)。

I2C總線接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IIC設(shè)備對(duì)總線的操作僅有“把線路拉到地”——輸出邏輯0。基于IIC總線的設(shè)計(jì)，線路上不可能出現(xiàn)電平?jīng)_突現(xiàn)象。如果一設(shè)備發(fā)送邏輯0，其他發(fā)送邏輯1，那么線路看到的只有邏輯0。也就是說(shuō)，如果出現(xiàn)電平?jīng)_突，發(fā)送邏輯0的始終是“贏家”。總線的物理接法允許主設(shè)備往總線寫(xiě)數(shù)據(jù)的同事讀取數(shù)據(jù)。這樣兩主設(shè)備爭(zhēng)總線的時(shí)候“贏家”并不知道競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)生，只有“輸家”發(fā)現(xiàn)了沖突——當(dāng)寫(xiě)一個(gè)邏輯1，卻讀到了0——而退出競(jìng)爭(zhēng)。

時(shí)鐘拉伸（Clock stretching）

如果被控器希望主控器降低傳送速度可以通過(guò)將SCL主動(dòng)拉低延長(zhǎng)其低電平時(shí)間的方法來(lái)通知主控器，當(dāng)主控器在準(zhǔn)備下一次傳送發(fā)現(xiàn)SCL的電平被拉低時(shí)就進(jìn)行等待，直至被控器完成操作并釋放SCL線的控制控制權(quán)。這樣以來(lái)，主控器實(shí)際上受到被控器的時(shí)鐘同步控制。可見(jiàn)SCL線上的低電平是由時(shí)鐘低電平最長(zhǎng)的器件決定；高電平的時(shí)間由高電平時(shí)間最短的器件決定。這就是時(shí)鐘拉伸，它解決了I2C總線的速度同步。

總線仲裁

假設(shè)主控器1要發(fā)送的數(shù)據(jù)DATA1為“101 ……”；主控器2要發(fā)送的數(shù)據(jù)DATA2為“1001 ……”總線被啟動(dòng)后兩個(gè)主控器在每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)都要對(duì)自己的輸出電平進(jìn)行檢測(cè)，只要檢測(cè)的電平與自己發(fā)出的電平一致，他們就會(huì)繼續(xù)占用總線。在這種情況下總線還是得不到仲裁。當(dāng)主控器1發(fā)送第3位數(shù)據(jù)“1”時(shí)（主控器2發(fā)送“0” ），由于“線與”的結(jié)果SDA上的電平為“0”，這樣當(dāng)主控器1檢測(cè)自己的輸出電平時(shí)，就會(huì)測(cè)到一個(gè)與自身不相符的“0”電平。這時(shí)主控器1只好放棄對(duì)總線的控制權(quán)；因此主控器2就成為總線的唯一主宰者。

總結(jié)

① 對(duì)于整個(gè)仲裁過(guò)程主控器1和主控器2都不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；

② 各個(gè)主控器沒(méi)有對(duì)總線實(shí)施控制的優(yōu)先級(jí)別；

③總線控制隨即而定，他們遵循“低電平優(yōu)先”的原則，即誰(shuí)先發(fā)送低電平誰(shuí)就會(huì)掌握對(duì)總線的控制權(quán)。

根據(jù)上面的描述，“時(shí)鐘拉伸”與“總線仲裁”可以總結(jié)如下規(guī)律：

①主控器通過(guò)檢測(cè)SCL上的電平來(lái)調(diào)節(jié)與從器件的速度同步問(wèn)題——時(shí)鐘拉伸；

②主控器通過(guò)檢測(cè)SDA上自身發(fā)送的電平來(lái)判斷是否發(fā)生總線“沖突”——總線仲裁。因此，I2C總線的“時(shí)鐘同步”與“總線仲裁”是靠器件自身接口的特殊結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的。
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