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功能描述

11 Jun 2024
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协议约定

表 1. 协议约定

类型

 描述
数据帧 大小固定为 8 bits（一字节）
传输方向 高位先发
总线释放状态 SCL 和 SDA 均为高电平，其中 SCL 一直由 master 设备控制。
启动信号（START） SCL 高，SDA 由高转低
停止信号（STOP） SCL 高，SDA 由低转高
应答信号
  • ACK：master 设备控制 SCL，发送完 8 bits 后释放 SDA，在第九个 SCL 波形时，Slave 设备拉低 SDA。
  • NACK：master 设备控制 SCL，发送完 8 bits 后释放 SDA，在第九个 SCL 波形时，Slave 设备拉高 SDA。
Slave 设备地址
  • 含 CPU 的智能器件，地址由软件初始化时定义，但不能与其它的器件有冲突。
  • 不含 CPU 的非智能器件：
    • 高 4 bits 由厂家在器件内部固化，不可改变。
    • 低 3 bits 由引脚连接电平决定，例如 eeprom，三个引脚常用名字 A1、A2、A3。
读写位

1 bit，与 Slave 设备地址的 7 bits，组成读写数据帧的数据内容（Slave 设备 7 bits + 1 bit），0 表示写，1 表示读。
空闲检测

Master 设备检测到 SDA、 SCL 均为高电平。

Master & Slave 模式

I2C 协议：



Master & slave 关系图：



Master & slave 详细行为描述如下：
  • Master 发送操作：master 设备通过 I2C_DATA_CMD[8] 写 0 进行发送请求，将数据写进 I2C_DATA_CMD[7:0]，然后发送到 I2C 总线，由响应的 slave 设备从总线接收数据。
  • Master 接收操作：master 设备通过 I2C_DATA_CMD[8] 写 1 进行接收请求，由响应的 slave 设备将数据发送到 I2C 总线，然后 master 从 I2C_DATA_CMD[7:0]获取数据。
  • Slave 发送操作：接收到 master 的接收请求，将数据写进 I2C_DATA_CMD[7:0]，然后发送到 I2C 总线。
  • Slave 接收操作：接收到 master 的发送请求，从 I2C_DATA_CMD[7:0] 获取数据
  • Mater 发起寻址，发起 START 信号，生成 SCL，生成 STOP 信号，可发送和接收。Slave 作为被寻址的一方，发起 ACK 或 Not ACK 信号，可发送和接收。
注： I2C_DATA_CMD[8] 只能在 master 模式下配置，I2C 任何的通信行为都由 master 主动发起。

7-bit & 10-bit 寻址

7-bit 寻址格式

I2C_TAR[6:0] 对应此 7 位地址，R/W 为 I2C_DATA_CMD[8]。



注：

其中寻址模式存在一些 slave 设备支持 START 字节，即 master 先发起 0000 0001 字节（不需要 ACK），再发起 START 信号进行寻址。

10-bit 寻址格式

10-bit 寻址分为两个字节发送：第一个字节的 bit[7:3] 向 slave 指示这是一个 10bit 的地址。紧接着的 bit[2:1]为 I2C_TAR[9:8]，R/W 为 I2C_DATA_CMD[8]。第二个字节为 I2C_TAR[7:0]。



Restart 说明

重复起始条件和起始条件类似，重复起始条件发生在停止条件之前。Master 想继续给 slave 发送消息时，在一个字节传输完成后可以发送重复起始条件来启动下一次传输，而不是产生停止条件。

Restart 也是在 SCL 高电平的时候产生一个 SDA 的下降沿。因此需要先令 SDA 和 SCL 都处于高电平状态，再令 SDA 拉低，本质操作和起始条件是一样的。

Restart 时序：



传输时序示例如下：

多次读数据：



多次写数据：



读数据转写数据：



写数据转读数据：



SDA_SETUP_TIME 和 SDA_HOLD_TIME 说明

SDA_SETUP_TIME 为 SCL 延迟时间，表示 SCL 上升沿相对 SDA 的延迟量，只有当 I2C 作为 slave 发送数据时使用。

SDA_HOLD_TIME 为 SDA 保持时间，表示 SCL 拉低之后 SDA 保持的时间。

SETUP 和 HOLD 说明：



START BYTE 机制

START BYTE 机制服务于当片上系统没有专用的 I2C 模块的情况。START BYTE 会将开始条件的过程延长，在生成 START 条件后，继续发送一个 Byte 信号 (0000_0001)，master 持续的将 SDA 线拉低七个周期。

当 I2C 设为 slave 时，无需使用 START BYTE 机制。当 I2C 设为 master，启用 START BYTE 可以让轮询总线的处理器以较低的频率采样 SDA 线。当采样到起始字节中任意一个 0 时，切换到更快的频率，找到 0000_0001 后产生 restart，然后开始传输。

START BYTE 的过程：

  1. Master 先产生一个 START 条件

  2. Master 发送 byte（0000_0001），并发送 ACK 信号

  3. 在此过程中，不能有任何 slave 相应 ACK

  4. Master 生成 restart 信号。

START BYTE 时序：



通用广播地址

通用广播地址 (General call address) 是为了寻址总线上的所有设备。
  • 不需要使用广播功能的设备，可以不响应广播。
  • 需要使用广播功能的设备，则在检测到广播地址后发送响应，并作为 slave 接收读取总线上发送的数据。

    Master 不知道总线上发送响应的 slave 数量，总线上所有可以响应广播的 slave 读取广播地址后的第二个以及后面的字节，不能处理广播数据的 slave 不发送响应来忽略广播。因此 master 检测不到未响应的 slave。

广播信息的含义在第二个字节决定，如下所示：



GEN_CALL 格式有两种情况，详细说明如下：

  1. 第二个 Byte 最低位 B 为 0：

    • 0000_0110(06h)：设备复位并通过硬件写数据到 slave 的可编程部分。所有可以响应此类广播的 slave，收到此两个字节后，进行复位并进入其地址的可编程部分。

    • 0000_0100(04h)：通过硬件写内容到 slave 的可编程部分，作用类似 (06h)，但设备不复位。

    • 0000_0000(00h)：不允许作为第二个字节使用。

  2. 第二个 Byte 最低位 B 为 1：

    • 该两字节广播定义为硬件广播，由一个硬件 master 器件发送，例如键盘扫描器。硬件广播不能编程，无法发送一个期望的 slave 地址。由于硬件 master 预先不知道报文要传输给哪个器件，只能产生包含自身地址的硬件广播呼叫，便于系统识别。

    • 第二个字节中前 7 位是硬件 master 的地址，可由连接到总线的智能器件识别并指引硬件 master 的信息，例如，一个连接到总线的微控制器。如果硬件 master 也可以作为 slave，其 slave 地址和 master 地址相同。

    • 硬件广播格式：



总线挂死恢复机制

总线挂死恢复分为以下情况：
  • SDA 挂死恢复

    I2C 通信异常可能会造成总线挂死情况，例如 slave 设备应答 ACK 拉低 SDA 时出现异常。此时 slave 无法释放总线，造成 master 无法继续掌握总线进行通信。

    因此检测到 SDA 挂死条件，则触发恢复机制。原理如下：
    1. Master 尝试在 SDA 发送逻辑 1 并且检查 SDA 是否恢复，最多连续发送 9 个时钟周期。
    2. 如果 SDA 在九个时钟周期内恢复，master 则发送一个 STOP 信号释放总线。

      下图表示第九个时钟恢复：



      下图表示第七个时钟恢复



    3. 如果 SDA 在九个时钟周期内未恢复，则系统需要硬件复位。
  • SCL 挂死恢复

    通常只有在电路电气发生故障才存在 SCL 一直处于低电平，除了硬件复位系统外，没有有效的方法来解决此问题，若使能 SCL 挂死中断，可查看 I2C_INTR_STAT[14] 检查 SCL 状态。