I²C - Wikiwand
For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for I²C.

I²C

维基百科,自由的百科全书

本条目存在以下问题,请协助改善本条目或在讨论页针对议题发表看法。 此条目需要扩充。 (2015年5月3日)请协助改善这篇条目,更进一步的信息可能会在讨论页或扩充请求中找到。请在扩充条目后将此模板移除。 此条目需要精通或熟悉电子学的编者参与及协助编辑。请邀请适合的人士改善本条目。更多的细节与详情请参见讨论页。另见其他需要电子学专家关注的页面。
I2C bus
I2C bus

I²CInter-Integrated Circuit)字面上的意思是集成电路之间,它其实是I²C Bus简称,所以中文应该叫集成电路总线,它是一种串行通信总线,使用多主从架构,由飞利浦公司在1980年代为了让主板嵌入式系统手机用以连接低速周边设备而发展。I²C的正确读法为“I平方C”("I-squared-C"),而“I二C”("I-two-C")则是另一种错误但被广泛使用的读法。自2006年10月1日起,使用I²C协议已经不需要支付专利费,但制造商仍然需要付费以获取I²C从属设备地址。

设计概说

I²C只使用两条双向漏极开路(Open Drain)(串行资料(SDA)及串行时脉(SCL))并利用电阻将电位上拉。I²C允许相当大的工作电压范围,但典型的电压准位为+3.3V或+5v。

I²C的参考设计使用一个7位元长度的地址空间但保留了16个地址,所以在一组总线最多可和112个节点通信[a]。常见的I²C总线依传输速率的不同而有不同的模式:标准模式(100 kbit/s)、低速模式(10 kbit/s),但时钟频率可被允许下降至零,这代表可以暂停通信。而新一代的I²C总线可以和更多的节点(支持10位元长度的地址空间)以更快的速率通信:快速模式(400 kbit/s)、快速+模式(1 Mbit/s)高速模式(3.4 Mbit/s)超高速模式(5 Mbit/s)。

虽然最大的节点数目是被地址空间所限制住,但实际上也会被总线上的总电容所限制住,一般而言为400 pF。

参考设计

I²C仅使用两个双向开漏线,串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL),上拉了电阻。使用的典型电压是+5 V或+3.3 V(虽然其他电压系统也是允许的)。

在I²C参考设计中,使用7位或10位(取决于所使用的设备)地址空间。普通I²C总线速度为100 kbit / s的标准模式和10 kbit / s的低速模式,但任意低时钟频率也是允许的。 I²C的最新修订可以承载更多的节点,并以更快的速度运行[b]。这些速度被更广泛地使用在嵌入式系统中而不是PC上。I²C也有其他的特性,例如16位寻址。

请注意,这里引用的比特率为主节点和从节点之间没有时钟延长或其他硬件开销的传输比特率。协议开销包括一个字节从地址(或许还有从设备内部寄存器地址)以及每个字节的ACK / NACK位元。因此这意味着,用户数据的实际传输速率要低于峰值比特率。例如,如果与从设备以低效的每次仅一个字节数据进行传输,数据率将比峰值比特率少于一半(因为其余的时钟需要发送一个字节地址和ACK位元)。

节点的最大数量受限于地址空间以及400 pF的总的总线电容。400 pF总电容也限制了实际通信距离只有几米。

如上所述,参考设计为使用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)、拥有7bit寻址空间的总线。 总线上有两种类型角色的节点:

  • 主节点 - 产生时钟并发起与从节点的通信
  • 从节点 - 接收时钟并响应主节点的寻址

该总线是一种多主控总线,即可以在总线上放置任意多主节点。此外,在停止位(STOP)发出后,一个主节点也可以成为从节点,反之亦然。

总线上有四种不同的操作模式,虽然大部分设备只作为一种角色和使用其中两种操作模式:

  • 主节点发送 - 主节点发送数据给从节点
  • 主节点接收 - 主节点接收从节点数据
  • 从节点发送 - 从节点发送数据给主节点
  • 从节点接收 - 从节点接收主节点数据

一开始,主节点处于主节点发送模式,发送起始位(START),跟着发送希望与之通信的从节点的7bit位地址,最后再发送一个bit读写位,该数据位表示主节点想要与从节点进行读(1)还是写(0)操作。

如果从节点在总线上,它将以ACK字符位元位应答(低有效)该地址。主节点收到应答后,根据它发送的读写位,处于发送模式或者接收模式,从节点则处于对应的相反模式(接收或发送)。

地址和数据首先发送最高有效位。 起始位在SCL为高时,由SDA上电平从高变低表示;停止位在SCL为高时,由SDA上电平从低变高表示。其他SDA上的电平变化在SCL为低时发生。

如果主节点想要向从节点写数据,它将发送一个字节,然后从节点以ACK位应答,如此重复。此时,主节点处于主节点发送模式,从节点处于从节点接收模式。

如果主节点想要读取从节点数据,它将不断接收从节点发送的一个个字节,在收到每个字节后发送ACK进行应答,除了接收到的最后一个字节。此时,主节点处于主节点接收模式,从节点处于从节点发送模式。

此后,主节点要么发送停止位终止传输,要么发送另一个START位元以发起另一次传输(即“组合消息”)。

修订

原始的I²C系统是在1980年代所创建的一种简单的内部总线系统,当时主要的用途在于控制由飞利浦所生产的芯片。

  • 1992年完成了最初的标准版本发布,新增了传输速率为400 kbit/s的快速模式及长度为10位元的地址模式可容纳最多1008个节点。
  • 1998年发布了2.0版,新增了传输速率为3.4Mbit/s的高速模式并为了节省能源而减少了电压及电流的需求。
  • 2.1版则在2001年完成,这是一个对2.0版做一些小修正,
  • 3.0版于2007年发布。
  • 2012年2月13日发布Specification Rev. 新增 5-MHz的超快速模式(UFM)。
  • 2012年,第4版增加5 MHz的超快速模式(UFM),使用推挽式逻辑没有上拉电阻新的USDA和USCS线,并增加了制造商指定的ID表。
  • 2012年,第5版修正错误。
  • 在2014年,第6版纠正了两个图。这是目前最新的标准[1]

应用

I²C-Bus
I²C-Bus

I²C被应用在简单且其制造成本较传输速度更为重要的外设上。一些常见的应用如下:

  • 为了保存用户的设置而访问NVRAM芯片。
  • 访问低速的数字模拟转换器(DAC)。
  • 访问低速的模拟数字转换器(ADC)。
  • 改变监控器的对比度、色调及色彩平衡设置(视频资料通道)。
  • 改变音量大小。
  • 获取硬件监控及诊断资料,例如中央处理器的温度及风扇转速。
  • 读取实时时钟(Real-time clock)。
  • 在系统设备中用来开启或关闭电源供应。

I²C的另一个强大用途在于微控制器的应用,利用两根通用的输入输出接脚及软件的规划,可以让微控制器控制一个小型网络。

外设可以在系统仍然在运作的同时加入或移出总线,这代表对于有热插拔需求的设备而言是个理想的总线。

像I²C这样的总线之所以流行起来,是因为电脑工程师发现到对于集成电路设计而言,许多的制造成本源自于封装尺寸及接脚数量。更小的包装通常能够减少重量及电源的消耗,这对于移动电话及手持式电脑而言格外重要。

操作系统的支持

Linux中,I²C已经列入了内核模块的支持了,更进一步的说明可以参考内核相关的文件及位于/usr/include/linux/i2c.h 的这个头文件OpenBSD则在最近的更新中加入了I²C的架构(framework)以支持一些常见的主控端控制器及传感器。

工具开发

I²C主机适配器

I²C协议分析仪

逻辑分析仪

限制

派生技术

参见

参考资料

  1. ^ Official I2C Specification Version 6 (PDF). [2015-11-02]. (原始内容 (PDF)存档于2013-05-11). 

注释

  1. ^ 应该为27=128个,但是其中16个指令具有特殊定义,所以剩下112。
  2. ^ 400 kbit / s的快速模式,1 Mbit / s的快速模式加上或FM +和3.4 Mbit / s的高速模式

外部链接

{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
I²C
Listen to this article