I2C与SPI总线

1、1I2C串行总线的组成及工作原理串行总线的组成及工作原理西安交通大学西安交通大学 陶唐飞陶唐飞2I2C串行总线概述串行总线概述 I2C总线，是总线，是INTER-IC串行总线的缩写。串行总线的缩写。INTER-IC意意思是用于相互作用的集成电路，这种集成电路主要由思是用于相互作用的集成电路，这种集成电路主要由双向串双向串行时钟线行时钟线SCL和和双向串行数据线双向串行数据线SDA两条线路组成。两条线路组成。 I2C总线是总线是PHLIPS公司推出的一种公司推出的一种串行总线串行总线，是具备多，是具备多主机系统所需的包括主机系统所需的包括总线裁决总线裁决和和高低速器件同步功能高低速器件同步功能的

2、高性的高性能串行总线。能串行总线。 I2C总线只有总线只有两根双向信号线两根双向信号线。一根是。一根是数据线数据线SDA，另一根，另一根是是时钟线时钟线SCL。3 I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线总线空闲时，两根线均为高电平均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的线的信号变低，即各器件的SDA及及SCL都是都是线线“与与”关系。关系。I2C串行总线概述串行总线概述4 每个接到每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件

3、间的数据传送可以是它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件由主机发送数据到其它器件，这，这时时主机主机即为即为发送器发送器。由总线上。由总线上接收数据的器件接收数据的器件则为则为接收器接收器。 在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，送数据。为了避免混乱， I2C总线要通过总线要通过总线仲裁总线仲裁，以决定，以决定由哪一台主机控制总线。由哪一台主机控制总线。 在在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为

4、从机的单单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。主机情况。 I2C串行总线概述串行总线概述主机主机：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，它可：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，它可以是以是发送器或接收器发送器或接收器。主机通常是微处理器。主机通常是微处理器。从机从机：被主机寻址的器件，它可以是：被主机寻址的器件，它可以是发送器或接收器发送器或接收器， 5一、数据位的有效性规定一、数据位的有效性规定 I2C总线进行数据传送时，总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低只有在时钟

5、线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。I2C总线的数据传送总线的数据传送6二、起始和终止信号二、起始和终止信号 SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变线由高电平向低电平的变化表示起始信号化表示起始信号；SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由低电平线由低电平向高电平的变化表示终止信号向高电平的变化表示终止信号。 I2C总线的数据传送总线的数据传送 I2C总线中唯一违反上述数据有效性的是被定义为总线中唯一违反上述数据有效性的是被定义为起始起始（S）和停止（）和停止（P）条件。条件。 7起

6、始和终止信号都是由主机发出的。起始和终止信号都是由主机发出的。在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。连接到连接到I2C总线上的器件总线上的器件若具有若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。信号。 对于不具备对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据保证在每个时钟周期内对数据线线SDA采样两次采样两次。 I

7、2C总线的数据传送总线的数据传送8 接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收下一个字节，这时接收器件接收器件可以可以将将SCL线拉成低电平线拉成低电平，从而使主机处于，从而使主机处于等待状态等待状态。直到接收器件准备好接收下。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再一个字节时，再释放释放SCL线使之为高电平，从而使数据传线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行送可以继续进行。 I2C总线的数据传送总线的数据传送9三、数据

8、传送格式三、数据传送格式（1）字节传送与应答）字节传送与应答每一个字节必须保证是每一个字节必须保证是8位位长度。长度。数据传送时，数据传送时，先传送最高位先传送最高位（MSB），每一个被传送的），每一个被传送的字节后面都必须跟随字节后面都必须跟随一位应答位一位应答位（即（即一帧共有一帧共有9位位）。）。 I2C总线的数据传送总线的数据传送10由于某种原因从机由于某种原因从机不不对主机寻址信号对主机寻址信号应答应答时（如从机正在时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必必须将数据线置于高电平须将数据线置于高电平，而由，而由主机

9、产生一个终止信号以结主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送束总线的数据传送。如果从机对主机进行了如果从机对主机进行了应答应答，但，但在数据传送一段时间后无在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的一个数据字节的“非应答非应答”通知主机，通知主机，主机则应发出终止主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送信号以结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的从机发出一个结束传送的信号。

10、这个信号是由对从机的“非应答非应答”来实现的。然后，从机释放来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机线，以允许主机产生终止信号。产生终止信号。I2C总线的数据传送总线的数据传送11（2）数据帧格式）数据帧格式 I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号地址信号，又包括真正的又包括真正的数据信号数据信号。每次数据传送每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束总是由主机产生的终止信号结束。但是，若。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则则可以不产生可以不产生终止信号，终止信号，马上马上再次发出起始信号对另

11、一从机进行寻址再次发出起始信号对另一从机进行寻址。 I2C总线的数据传送总线的数据传送在起始信号后必须传送一个从机的在起始信号后必须传送一个从机的地址地址（7位位）;第第8位位是数据的是数据的传送方向位传送方向位（R/W）:用用“0”表示表示主机发送数据主机发送数据（T），），用用“1”表示表示主机接收数据主机接收数据（R）。）。12A、主机向从机发送数据主机向从机发送数据，数据，数据传送方向传送方向在整个传送过程在整个传送过程中中不变不变。有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。数据由从机向主机传送。A表示

12、应答，表示应答，/A表示非应答表示非应答（高电平）。（高电平）。S表示起始信号，表示起始信号，P表示终止信号。表示终止信号。 在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：I2C总线的数据传送总线的数据传送13B、主机、主机在第一个字节在第一个字节(寻址字节寻址字节)后后，立即立即由从机读数据。由从机读数据。I2C总线的数据传送总线的数据传送 在从机产生响应时，在从机产生响应时，主机从发送变成接收，从机从接收主机从发送变成接收，从机从接收变成发送变成发送。之后，。之后，数据由从机发送，主机接收，每个应答由数据由从机发送，主机接收，每个应答

13、由主机产生主机产生，时钟信号仍由主机产生时钟信号仍由主机产生。若主机要终止本次传输，。若主机要终止本次传输，则发送一个非应答信号则发送一个非应答信号(A)，接着主机产生停止条件。，接着主机产生停止条件。 C、在传送过程中，当需要、在传送过程中，当需要改变传送方向改变传送方向时时，起始信号，起始信号和和从从机地址都被重复产生一次，机地址都被重复产生一次，但但两次读两次读/写方向位正好反相。写方向位正好反相。14四、总线的寻址四、总线的寻址 I2C总线协议有明确的规定：采用总线协议有明确的规定：采用7位的寻址字节位的寻址字节（寻址字（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。节是起始信号后的第一个字节）

14、。 （1）寻址字节的位定义）寻址字节的位定义 D7D1位组成从机的地址。位组成从机的地址。D0位是数据位是数据传送方向位传送方向位，为为“0”时表示时表示主机向从机写数据主机向从机写数据，为，为“1”时表示时表示主机由从机主机由从机读数据读数据。I2C总线的数据传送总线的数据传送15主机发送地址时，总线上的每个主机发送地址时，总线上的每个从机从机都都将这将这7位地址码与位地址码与自己的地址进行比较自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据寻址，根据R/W位将自己确定为发送器或接收器位将自己确定为发送器或接收器。I2C总线的数据传送总线的数据传送 如

15、一个从机的如一个从机的7位寻址位有位寻址位有4位是固定位，位是固定位，3位是可编程位是可编程位，这时仅能寻址位，这时仅能寻址8个同样的器件，即可以有个同样的器件，即可以有8个同样的器个同样的器件接入到该件接入到该I2C总线系统中。总线系统中。 从机的地址由从机的地址由固定部分固定部分和和可编程部分可编程部分组成。在一个系统组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目决定了可接入总线该类器件的最大数目。16（2）寻址字节中的特殊地址）寻址字节中的特殊地址 固定地址编号固定地址编号0000和和

16、1111已被保留作为特殊用途。已被保留作为特殊用途。 I2C总线的数据传送总线的数据传送17 起始信号后的第一字节的起始信号后的第一字节的8位为位为“0000 0000”时，称为时，称为通用呼叫地址通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说。通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明。格式为：明。格式为： 第二字节为第二字节为 06H时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分。能响应命令复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分。能响应命令的从机器件复位时不拉低的从机器件复位时不拉低SDA和和SCL线，以免堵塞总线。线，以免堵

17、塞总线。第二字节为第二字节为 04H时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位，但不进行复位。，但不进行复位。I2C总线的数据传送总线的数据传送18如果第二字节的方向位为如果第二字节的方向位为“1”，则这两个字节命令称为硬，则这两个字节命令称为硬件件通用呼叫命令通用呼叫命令。在这第二字节的在这第二字节的高高7位说明自己的地址位说明自己的地址。接在总线上的智。接在总线上的智能器件，如单片机或其他微处理器能识别这个地址，并与能器件，如单片机或其他微处理器能识别这个地址，

18、并与之传送数据。硬件主器件作为从机使用时，也用这个地址之传送数据。硬件主器件作为从机使用时，也用这个地址作为从机地址。格式为：作为从机地址。格式为： 在系统中另一种选择可能是系统复位时在系统中另一种选择可能是系统复位时硬件主机器件工作硬件主机器件工作在从机接收器方式在从机接收器方式，这时由系统中的主机先告诉硬件主机，这时由系统中的主机先告诉硬件主机器件数据应送往的从机器件地址，当硬件主机器件要发送器件数据应送往的从机器件地址，当硬件主机器件要发送数据时就可以直接向指定从机器件发送数据了。数据时就可以直接向指定从机器件发送数据了。I2C总线的数据传送总线的数据传送19（3）起始字节）起始字节 不

19、具备不具备I2C总线接口的单片机，则必须总线接口的单片机，则必须通过软件不断地检通过软件不断地检测总线测总线，以便及时地响应总线的请求。单片机的速度与硬，以便及时地响应总线的请求。单片机的速度与硬件接口器件的速度就出现了较大的差别，为此，件接口器件的速度就出现了较大的差别，为此，I2C总线总线上的数据传送要由一个较长的起始过程加以引导上的数据传送要由一个较长的起始过程加以引导。 起始字节是提供给起始字节是提供给没有没有I2C总线接口总线接口的单片机的单片机查询查询I2C总线总线时使用的特殊字节时使用的特殊字节。 I2C总线的数据传送总线的数据传送20 引导过程由引导过程由起始信号、起始字节、应

20、答位、重复起起始信号、起始字节、应答位、重复起始信号始信号（Sr）组成。）组成。请求访问总线的主机发出起始信号后，发送起始字节（请求访问总线的主机发出起始信号后，发送起始字节（0000 0001），另一个单片机可以用一个比较低的速率采），另一个单片机可以用一个比较低的速率采样样SDA线，直到检测到起始字节中的线，直到检测到起始字节中的7个个“0”中的一个中的一个为止。在检测到为止。在检测到SDA线上的高电平后，单片机就可以用线上的高电平后，单片机就可以用较高的采样速率，以便寻找作为同步信号使用的第二个较高的采样速率，以便寻找作为同步信号使用的第二个起始信号起始信号Sr。在起始信号后的应答时钟脉

21、冲仅仅是为了和总线所使用在起始信号后的应答时钟脉冲仅仅是为了和总线所使用的格式一致，并不要求器件在这个脉冲期间作应答。的格式一致，并不要求器件在这个脉冲期间作应答。I2C总线的数据传送总线的数据传送21I2C总线仲裁与时钟发生总线仲裁与时钟发生 在多主的通信系统中。总线上有多个节点，它们都有自在多主的通信系统中。总线上有多个节点，它们都有自己的寻址地址，可以己的寻址地址，可以作为从节点被别的节点访问作为从节点被别的节点访问，同时它，同时它们都可以们都可以作为主节点向其它的节点发送控制字节和传送数作为主节点向其它的节点发送控制字节和传送数据据。但是如果。但是如果有两个或两个以上的节点都向总线上发

22、送启有两个或两个以上的节点都向总线上发送启动信号并开始传送数据动信号并开始传送数据，这样就形成了，这样就形成了冲突冲突。要解决这种。要解决这种冲突，就要进行仲裁的判决，这就是冲突，就要进行仲裁的判决，这就是I2C总线上的仲裁。总线上的仲裁。 I2C总线上的仲裁分两部分：总线上的仲裁分两部分：SCL线的同步线的同步和和SDA线的仲裁线的仲裁。 22I2C总线仲裁与时钟发生总线仲裁与时钟发生 SCL线的同步线的同步（时钟同步）（时钟同步） SCL同步是由于总线具有同步是由于总线具有线线“与与”的逻辑功能，即的逻辑功能，即只要只要有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平有一个节点发送低电平时，总

23、线上就表现为低电平。由于线由于线“与与”逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是SCL的同步原理。的同步原理。 当所有的节点都发当所有的节点都发送高电平时，总线才能送高电平时，总线才能表现为高电平表现为高电平。23I2C总线仲裁与时钟发生总线仲裁与时钟发生 SDA仲裁仲裁 SDA线的仲裁也是建立在总线具有线的仲裁也是建立在总线具有线线“与与”逻辑功能逻辑功能的原理上的。的原理上的。 节点在发送节点在发送1位数据后，比较总线上所呈现的数据与位数据后，比较总线上所呈现的数

24、据与自己发送的是否一致。自己发送的是否一致。是，继续发送；否则，退出竞是，继续发送；否则，退出竞争争。 SDA线的仲裁可以保证线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个主节点同时总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。总线总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线。24I2C总线仲裁与时钟发生总线仲裁与时钟发生仲裁过程仲裁过程DATA1和和DATA2分别是主节点向总线所发送的数据信号；分别是主节点向总线所发送的数据信号；SDA为总线为总线上所呈现的上所呈现的数据信号数据信号，SCL是总线是总线上所呈现的上所呈现的时时钟信号钟信号。25I2C总线仲裁与时钟发生总线仲裁与时钟发生仲裁过程仲裁过程当主节点当主节点1、2同时发送起始信号时，同时发送起始信号时，两个主节点都发送两个主节点都发送了高电平信号了高电平信号。这时总线上呈现的信号为高电平，。这时总线上呈现的信号为高电平，两个主两个主节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。发送数据。26I2C总线