I2C总线接口逻辑分析

1 前言

I2C总线是具备多CPU系统所需的包括仲裁和高低速设备同步等功能的高性能串行总线。它以两根连线实现完善的全双工数据传送，是各种总线中使用信号线根数最少，并具有自动寻址、多主机时钟同步和仲裁等功能的总线。

目前世界上采用的I2C总线有两种规范，它们分别是由荷兰飞利浦公司和日本索尼公司提出的。现在广泛采用的是飞利浦公司的I2C总线技术规范，它已成为被电子行业认可的总线标准。

由于I2C总线具有标准的规范及众多带I2C接口的外围器件，使得使用I2C总线设计计算机系统变得十分方便、灵活，体积也小，因此在各类实际应用中得到广泛使用。

2 I2C总线的基本原理

2.1 I2C总线基本结构

I2C总线系统结构灵活，易于模块化、标准化设计。I2C总线只有两根信号线，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有进入I2C总线系统中的器件都带有I2C总线接口，符合I2C总线电气规范的特性；而且采用纯软件寻址方法，无需器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能器件挂靠或摘离总线，还可对其工作状况进行检测，从而实现对硬件系统即简单又灵活的扩展与控制。各器件供电可不同，但需共地。另外，SDA、SCL需分别接上拉电阻。

SDA、SCL都是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出端电路必须是集电极开路输出或开漏输出，以具有线“与”功能。I2C总线的数据传送速率在标准模式下可达100kbit／s，快速模式下可达400kbit／s，高速模式下则可达3.4Mbit／s。

I2C总线接口电路结构如图1所示。

2.2 I2C总线数据传送

I2C总线数据传输时必须遵循规定的数据传送格式，如图2所示为一次完整的数据传送格式。启动信号表明一次传送的开始，其后为寻址字节，该寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成：方向位为“0”表明写操作，“1”表明读操作；在寻址字节后是由方向位指定读、写操作的数据字节与应答位；在数据传送完成后为停止信号。在“启动”与“停止”之间传送的数据字节数从理论上来说没有限制，但每个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个应答位。

当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变为低电平，定义为启动信号；当SCL为低电平时，SDA由低电平跳变为高电平，定义为停止信号。

在SCL为高电平时，SDA上数据需保持稳定方被认为有效；只有在SCL为低电平时，才允许SDA电平状态变化。

2.3时钟信号的同步

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

2.4 总线竞争的仲裁

总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。

3 I2C总线接口逻辑的构成

3.1 I2C总线接口电路的结构

I2C总线接口逻辑框图如图5所示。

在电路设计中，各功能块的硬件实现介绍如下。

启动、停止检测电路应用两个D触发器来分别响应SDA在SCL为高电平时的电平跳变。

移位寄存器电路由9个D触发器串联成9级移位寄存器，包括8位字节和1位应答位，实现SDA上数据的串并行转换。寄存器复位值为“111111110”，接收8位字节后为“0D7D6D5D4D3D2D1D0”，即应答位为“0”，在第9个时钟时输出低电平作为应答信号。

可编程地址发生器电路生成器件地址，7位器件地址由器件编号地址(高4位)和引脚地址(低3位)组成。通过改变器件引脚的连接方式，就可改变器件地址，因此使应用方便灵活。

地址比较器电路由门电路组成布尔代数式逻辑，对寻址字节进行判断。若地址正确则将RS触发器置“1”，使能译码器输出。

3.2 I2C总线接口工作流程

I2C总线接口工作流程如图6所示。