若在印刷電路板（PC 板）上使用并行總線來(lái)實(shí)現(xiàn)集成電路間的通信和控制，這樣做不太符合實(shí)際。即便是 8 位處理器，僅數(shù)據(jù)方面就要使用 16 條線，而地址總線需要的線數(shù)還要更多。如果一條共享的通信總線上需要使用多個(gè) IC，那就更成問(wèn)題了。這是因?yàn)榭臻g不夠用，無(wú)法滿足所有這些 PC 板走線。解決辦法是使用內(nèi)部集成電路 （I2C） 總線等串行通信總線來(lái)鏈接 IC。這種雙線串行總線可用于解決該問(wèn)題。

　　本文將介紹 I2C 總線的起源，及其如何在 IC 之間提供有效的串行鏈路。然后，本文將討論 I2C 總線的物理實(shí)現(xiàn)方式、協(xié)議結(jié)構(gòu)，以及這種無(wú)處不在的通信總線的常見(jiàn)應(yīng)用。其中將使用 Microchip Technology 的 I2C 接口和解決方案示例進(jìn)行演示。此外，本文還將討論 I2C 與系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 的異同。

　　什么是 I2C 總線？

　　在 1980 年代早期，I2C 總線由 Phillips Semiconductors（現(xiàn)為 NXP Semiconductors）開(kāi)發(fā)。這是一種簡(jiǎn)單的雙向雙線總線，可在一塊共用 PC 板上實(shí)現(xiàn)集成電路的有效通信和控制。最早的總線規(guī)格于 1992 年完成，隨后即成為行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，并且 50 多家 IC 制造商的元器件中都提供該標(biāo)準(zhǔn)。這種大規(guī)模的部署允許采用一種系統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以輕松地將 IC 納入 I2C 總線結(jié)構(gòu)中，而無(wú)需進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。其他幾種專用總線（例如 SMBus 和電源管理總線 （PMBus））以及另外一些總線均采用該基本架構(gòu)。

　　I2C 總線是一種可尋址總線，因此可以鏈接多個(gè) IC 和傳感器；7 位或 10 位地址字段允許主控器件向選定器件發(fā)送消息。最初，I2C 的最大時(shí)鐘速度為 100 千赫茲 （kHz），但是經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，更高速的工作模式已將這一限制推高至 3.4 兆赫茲 （MHz）。

　　I2C 總線使用兩條線，即指定為串行數(shù)據(jù)線路 （SDA） 和串行時(shí)鐘線路 （SCL）。SDA 和 SCL 是開(kāi)漏/集電極雙向線路，并通過(guò)電流源或上拉電阻連接到正電源總線。該總線可以連接多個(gè)器件，最大數(shù)量受總線電容限制。主控器件控制著總線，總線上的每個(gè)器件都有唯一的地址。主控器件可以通過(guò)總線收發(fā)數(shù)據(jù)（圖 1）。I2C 支持多主控操作，其沖突檢測(cè)和仲裁功能可防止兩個(gè)或更多主控器件同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。不過(guò)，本文將重點(diǎn)介紹單主控配置。

圖 1：Microchip Technology 的演示印刷電路板原理圖，該電路板實(shí)現(xiàn)了 I2C 總線并連接到五個(gè)不同的器件。主控器件位于板外，通過(guò)連接器 P1 連接。SCL 和 SDA 線路用綠色框出，兩個(gè)上拉電阻器用藍(lán)色圈出。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　圖 1 顯示了 Microchip Technology 的 PKSERIAL-I2C1 I2C 演示板原理圖。該演示板使用五種不同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn) I2C 總線，包括 EEPROM、溫度傳感器、12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和 8 位串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器。主控器件不在板上，而是通過(guò)連接器 P1 連接。SDA 和 SCL 總線線路以綠色框出，上拉電阻器以藍(lán)色圈出。

　　SDA 和 SCL 電平一般為正電源電壓的固定百分比，通常表示為 VDD。對(duì)于邏輯“1”（高）和邏輯“0”（低），參考電平分別設(shè)置為 VDD 的 70% 和 30%。

　　時(shí)鐘信號(hào)以猝發(fā)模式出現(xiàn)，每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位使用一個(gè)時(shí)鐘。時(shí)鐘處于高電平時(shí)，SDA 線路上的數(shù)據(jù)必須有效。只有在時(shí)鐘處于低電平時(shí)，才能更改數(shù)據(jù)。

　　從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，由于 I2C 接口已集成到 IC 中而無(wú)需設(shè)計(jì)接口，因此新項(xiàng)目得以簡(jiǎn)化。每個(gè)器件只需直接連接到總線。在總線上可以添加或移除 IC，而不會(huì)影響其他電路（假設(shè) IC 的總數(shù)不會(huì)超越電容極限）。簡(jiǎn)單的雙線總線可最大程度地減少每個(gè) IC 上的引腳數(shù)和印刷電路板上的走線數(shù)。

　　I2C 協(xié)議

　　該總線為 8 位導(dǎo)向協(xié)議，以字節(jié)為單位進(jìn)行通信。如上所述，在現(xiàn)在所謂的標(biāo)準(zhǔn)模式中，最初的最大時(shí)鐘速率為 100 kHz。如今，總線在快速模式下支持 400 千比特/秒 （Kb/s），在快速增強(qiáng)模式下支持高達(dá) 1 兆比特/秒 （Mb/s），在高速模式 （Hs-Mode） 下支持高達(dá) 3.4 Mb/s。

　　通過(guò)圖示總線上的典型傳輸，可以很好地說(shuō)明 I2C 協(xié)議（圖 2）。屏幕圖像的來(lái)源是 Teledyne LeCroy 的示波器，其包含低速串行數(shù)據(jù)觸發(fā)器和解碼選件 WS4KHD-EMB TD。該示波器選件可以觸發(fā)和解碼多達(dá) 19 個(gè)低速串行數(shù)據(jù)接口，其中就包括 I2C。

圖 2：典型的 I2C 數(shù)據(jù)包含有一個(gè)起始位、地址字段、應(yīng)答位、17 個(gè)各自擁有 ACK 位的數(shù)據(jù)字節(jié)和最后的一個(gè)停止位。每個(gè)字段均由帶色碼的疊加層標(biāo)識(shí)。上方（黃色）跡線是整個(gè) SDA 數(shù)據(jù)包，下方是 SCL 時(shí)鐘（紅色）。第三和第四跡線是兩個(gè)信號(hào)的水平擴(kuò)展視圖。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

　　該示波器可以在特定的串行事件觸發(fā)，包括起始、停止、丟失應(yīng)答 （ACK）、地址、數(shù)據(jù)、地址加數(shù)據(jù)、幀長(zhǎng)和 EEPROM 數(shù)據(jù)傳輸。串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議組件由帶色碼的疊加層標(biāo)識(shí)。每個(gè)協(xié)議字段都以二進(jìn)制、十六進(jìn)制或 ASCII 解碼，并且所選代碼顯示在疊加層內(nèi)。

　　SDA 信號(hào)顯示為黃色跡線，而 SCL 信號(hào)顯示為紅色跡線?；疑寞B加框指示起始和停止功能。磚紅色疊加層標(biāo)記地址數(shù)據(jù)，藍(lán)色字段為數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，橄欖色疊加框標(biāo)記 ACK 功能。

　　頂部跡線顯示了從起始到停止的整個(gè) I2C SDA 數(shù)據(jù)包。緊靠下方是相應(yīng)的 SCL 信號(hào)。再向下第三條跡線是 SDA 信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展縮放跡線，其下方是同步 SCL 信號(hào)。

　　在數(shù)據(jù)傳輸之間總線空閑時(shí)，SDA 和 SCL 線均處于高電平狀態(tài)。SCL 信號(hào)包括以時(shí)鐘速率發(fā)出的九個(gè)猝發(fā)脈沖，每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位使用一個(gè)，還有一個(gè)用于 ACK 位。

　　所有總線事務(wù)都由一個(gè)主控器件生成的起始位開(kāi)始，該位在縮放的 SDA 軌跡中顯示為灰色疊加框。主控器件在 SCL 線處于高電平狀態(tài)時(shí)將 SDA 線拉低，即表示起始信號(hào)。一旦主控器件發(fā)出起始位后，總線就即視為處于繁忙狀態(tài)。主控器件可以發(fā)出多次起始信號(hào)，這種情況下的后續(xù)起始信號(hào)通常稱為重新起始。

　　所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度均為 8 位（一個(gè)字節(jié)），每個(gè)后跟一個(gè) ACK 位。位傳輸順序是先傳輸最高有效位 （MSB）。每個(gè)字節(jié)傳輸必須得到應(yīng)答。如果從器件處于繁忙狀態(tài)，而無(wú)法接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以將 SCL 線拉低。這將迫使主空器件進(jìn)入等待狀態(tài)，直到從器件釋放 SCL 線。

　　當(dāng)發(fā)送器件在第九個(gè)應(yīng)答時(shí)鐘脈沖之前釋放 SDA 線后，即會(huì)形成 ACK 位。如果接收器件已接收到數(shù)據(jù)字節(jié)，則會(huì)將 SDA 線拉低。在圖 2 的 SDA 放大視圖中，緊靠第九個(gè)時(shí)鐘脈沖之前有一個(gè)窄峰，這表示 SDA 線經(jīng)釋放返回到高電平狀態(tài)。接收器件拉低 SDA 線以產(chǎn)生 ACK 信號(hào)，該信號(hào)由橄欖色疊加框作為符號(hào)標(biāo)記。如果接收器件未在第九個(gè)時(shí)鐘脈沖之前將 SDA 線拉低，則是一個(gè)非應(yīng)答 （NACK） 響應(yīng)。如果發(fā)生 NACK，則主控器件可以生成停止信號(hào)并中止傳輸，也可以發(fā)出重復(fù)起始信號(hào)以重試。

　　在起始條件之后，即會(huì)發(fā)出從器件地址。這由磚紅色疊加框表示。地址格式可能有兩種：7 位或 10 位，其中最常見(jiàn)的是 7 位地址。起始后的前 7 位代表地址數(shù)據(jù)。第 8 位指示數(shù)據(jù)方向：讀或?qū)?。SDA 線處于低電平表示寫(xiě)入，而此時(shí) SDA 線處于高電平，表示讀取操作。10 位尋址使用起始條件后的前兩個(gè)字節(jié)。I2C 為內(nèi)部功能保留了多個(gè)地址。解碼地址數(shù)據(jù)以二進(jìn)制、十六進(jìn)制或 ASCII 格式顯示在地址疊加框中。

　　藍(lán)色的疊加字段標(biāo)記數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)為八位長(zhǎng)，后跟一個(gè) ACK/NACK 響應(yīng)。I2C 數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)不受限制，但是圖 2 包含 17 個(gè)字節(jié)。解碼后的數(shù)據(jù)（例如地址解碼）顯示在數(shù)據(jù)疊加框中。數(shù)據(jù)流之后是在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)主控器件生成的一個(gè)停止位，由頂部數(shù)據(jù)跡線中的灰色疊加框表示。當(dāng) SCL 線處于高電平狀態(tài)時(shí)，該停止位是 SDA 線從低到高的跳變。在發(fā)出停止信號(hào)后，總線再次空閑。

　　顯示屏底部的表格匯總了有關(guān)數(shù)據(jù)包的所有信息，包括自觸發(fā)以來(lái)的時(shí)間、地址長(zhǎng)度、地址，讀或?qū)懖僮?、?shù)據(jù)包長(zhǎng)度，以及數(shù)據(jù)內(nèi)容的摘要。該表中的條目數(shù)與示波器獲取的 I2C 數(shù)據(jù)包數(shù)相匹配，后者在本例中僅為一行。

　　如果發(fā)生協(xié)議錯(cuò)誤，則由協(xié)議疊加框后面的亮紅色框表示。

　　I2C 器件

　　I2C 總線的最大優(yōu)勢(shì)之一是，有大量的器件已將該總線納入自己的設(shè)計(jì)中。Microchip Technologies 演示板提供了一些 IC 類型的示例，這些 IC 包含 I2C 總線或其衍生品之一，如 SMBus。

　　Microchip Technology 的 PIC16F677 是一款 8 位微控制器，其在許多嵌入式設(shè)計(jì)中均有采用。該產(chǎn)品實(shí)施了一個(gè)同步串口，經(jīng)過(guò)適當(dāng)控制后，可通過(guò)串行外設(shè)接口 （SPI） 或 I2C 與其他控制器或外設(shè)進(jìn)行通信（圖 3）。

圖 3：Microchip Technology 的 PIC16F677 是一款 8 位微控制器，其包含一個(gè)同步串口（橙色框出），可編程為 SPI 或 I2C 總線。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　這款微控制器支持使用 7 位或 10 位尋址的 I2C 主模式和從模式。該器件將 SCK/SCL 引腳用于 I2C SCL 時(shí)鐘信號(hào)，將 SDI/SDA 引腳用于數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　這兩個(gè)引腳連接到 I2C 總線上的 SCL 和 SDA 線，以實(shí)現(xiàn)與其他器件的通信。常見(jiàn)的連接是連接至基于 I2C 的傳感器，例如 Microchip Technology 的 TCN75AVOA713 雙線串行溫度傳感器（圖 4）。

圖 4：Microchip Technology 的 TCN75A 溫度傳感器直接連接至 PIC16F677 微控制器以傳輸溫度數(shù)據(jù)。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　此溫度傳感器能夠進(jìn)行串行通信，因此功能方面得以增強(qiáng)。內(nèi)置的用戶可編程寄存器可用于設(shè)置溫度測(cè)量分辨率、節(jié)能關(guān)機(jī)模式，甚至可設(shè)置警報(bào)輸出，以在溫度范圍超出預(yù)設(shè)限值時(shí)發(fā)出提醒。

　　此外，還有許多器件可以解碼 I2C 串行數(shù)據(jù)流并將其分解為并行數(shù)據(jù)。這里介紹一下 Microchip Technology 的 MIC74YQS-TR 雙線 I/O 擴(kuò)展器和風(fēng)扇控制器（圖 5）。

圖 5：Microchip Technology 的 MIC74YQS-TR I/O 擴(kuò)展器將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換至八根獨(dú)立的并行 I/O 線。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

　　該 IC 是完全可編程的 I/O 擴(kuò)展器，提供八根獨(dú)立的 I/O 線。這些 I/O 線可以單獨(dú)編程為輸入或輸出。圖 5 顯示了 MIC74YQS-TR 在串行總線的控制下驅(qū)動(dòng)八個(gè) LED。這與圖 1 中 I2C 演示板上 MCO23008 的用法相似。MIC74YQS-TR 與電源穩(wěn)壓器結(jié)合使用，也可以使用其四個(gè)最高有效位來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的速度控制。

　　SMBus 和 I2C

　　I/O 擴(kuò)展器的串行輸入是專為 SMBus 設(shè)計(jì)，但也與 I2C 總線兼容。SMBus 規(guī)格基于 I2C，由 Intel 和 Duracell 于 1994 年定義。主要區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)模式 I2C 邏輯電平相對(duì)于 VDD 變化，而 SMBus 的邏輯電平則是固定不變。在大多數(shù)情況下，當(dāng) VDD 介于 3 伏和 5 伏之間時(shí)，經(jīng)驗(yàn)表明這不是問(wèn)題。

　　另一個(gè)區(qū)別是 SMBus 的時(shí)鐘速率限制為 100 kHz 或更低，而 I2C 有幾種模式支持更高的時(shí)鐘速率。當(dāng)涉及總線兼容性時(shí)，這會(huì)將最大時(shí)鐘速率限制為 100 kHz 或 I2C 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘模式。

　　因此，除了非常特殊的情況外，SMBus 和 I2C 都是兼容的。

　　總結(jié)

　　I2C 總線及其衍生品廣泛應(yīng)用于各種類型的數(shù)百種 IC，從而使它們?cè)诙鄬用嬖O(shè)計(jì)和應(yīng)用中易于連接?；旌闲盘?hào)和模擬傳感器經(jīng)過(guò)耦合后，即可擴(kuò)展基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)范圍。所有這些都通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的雙線串行數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。