I2C协议摘要

协议原始文档

1、简介

略。

2、特性

• 仅需2条线：SCL、SDA。

• 支持简单寻址。

• 当多个设备同时发送数据时，可自行进行冲突检测和总线仲裁。

• 连接到总线的设备数量只受限于最大总线电容值（注： 若考虑到现实业务场景，通常也受限于7比特长度的地址范围）。

• 器件易替换、易升级，仅需将旧版本的器件拆下（Unclip）， 再将新版本的器件挂接（Clip）上去即可（待确认：是否等同于热插拔）。

• 其余特性的描述详见原文档。

3、协议明细

• SCL和SDA的基本要求：
  • 支持双向传输，但只能半双工。
  • 多设备场景下应在两条总线上分别接一个上拉电阻， 设备的输出应为开漏或开集结构，以便能执行“线与”逻辑。 对于单设备场景，由于没有总线竞争，还可以采取推挽输出。
  • 由“线与”逻辑可知0对应低电平、1对应高电平，但由于CMOS、NMOS、 双极晶体管等类型对高/低电平的要求并不一样，所以高/低电平的阈值并不固定， 而是根据Vdd而定，分别为0.7Vdd和0.3Vdd。
  • SCL对SDA的约束：
    • 在SCL为高电平期间才能对数据采样，此期间SDA状态必须保持稳定， 否则可能误判为开始或停止信号，详见后文。
    • 只有SCL为低电平期间，SDA才允许变化。
    • 1个时钟周期对应1个数据比特。
• 开始（后文记为START）和停止（后文记为STOP）信号：
  • SCL高电平期间SDA的下降沿为START，总线处于繁忙（busy）状态。 某些时候还允许重复的START。
  • SCL高电平期间SDA的上升沿为STOP，一段特定的时间之后， 总线回到空闲（free）状态。
  • 若设备硬件不是边沿触发，则需要在一个时钟周期内对SDA至少采样2次才能察觉电平转变。
  • 波形图见3.1.4小节。
• 字节格式：
  • 1 Byte = 8 bits
  • 一次传输过程不对字节数进行限制。
  • 每个字节后面必须紧跟一个确认/否认信号（见后文）， 所以一个字节实际上占用9个时钟周期。
  • 字节内的比特传输顺序是从高到低。
  • 如果一个设备由于进行某些操作（例如处理内部中断）而不能继续接收或发送下一个字节， 则可以将时钟线SCL拉低（收发方均可操作），令控制器进入等待状态（wait state）， 直到再次就绪后再释放SCL。
  • 波形图见3.1.5小节。
• 确认（Acknowledge，后文记为ACK）和不确认（Not-Acknowledge，后文记为NACK）信号：
  • 均是接收端对发送端的响应，即：接收端是主动方，发送端是被动方。
  • 在第9个时钟周期，先由发送端释放SDA（即拉高）， 再由接收端在SCL低电平期间将SDA拉低或不对其操作（即保持高电平）， 并且SCL高电平期间保持SDA该状态，即可产生ACK或NACK。
  • 如果是NACK，则控制器接下来既可以发STOP来中止传输，也可发START来启动新一轮传输。
• 时钟同步（Clock Synchronization）：
  • 即在多设备场景下，每个设备根据所有时钟信号在SCL的综合结果来对自己的内部时钟进行调整， 最终达到所有时钟的升降沿对齐到同一标准的效果。有2个重点：
    • 对“线与”逻辑的应用。
    • 硬件自动调节。
  • 波形图见3.1.7小节。
• 仲裁（Arbitration）：
  • 当多个设备同时发送消息，需要一种机制来决定哪一个设备能记得总线（SCL和SDA）使用权， 这就是仲裁。
  • 原理不难理解，以下仅强调几个重点：
    • 基于对“线与”逻辑的应用，所以发0者获胜。
    • 仲裁是按位进行的，所以地址或数据较小者获胜。
    • 仲裁落败的设备的待发消息不会丢失，会在获胜者发完一个字节（含ACK/NACK） 或STOP后（待确认：1Byte还是一整轮，取决于具体实现？？）再次尝试——当然， 要先重发START信号。
    • 落败者若还具有接收信息的需求，就需要切换成接收方， 并检查获胜者的寻址对象是否是自己。
    • 仲裁期间若部分设备发START或STOP，结果将是未定义的，需要避免。
  • 波形图见3.1.8小节。
• 目标地址（7位）：
  • 紧跟在START信号之后。
  • 高7位是实际地址，最低位是读写标志：0表示写，1表示读。
  • 虽然一轮完整的传输总是以STOP为结尾，但当同一设备要对多个目标（亦即涉及多个地址）收/发数据， 在收/发完一个目标的数据后，可以省略该目标对应的STOP，直接发START来开始下一个目标的传输， 直至收/发完最后一个目标的数据再发STOP。
  • 注意读/写操作对ACK/NACK的要求，尤其是读写混合的场景，示意图见3.1.10小节末尾。
  • 允许多个设备具有相同的地址，这种就类似于广播，但这些设备要根据具体业务自行控制好交互逻辑。
  • 注意几个预留地址：
    • 0000 000 && R/W = 0：用于通用呼叫（General Call），可进行复位、 键盘扫描或设备自定义操作，详见3.1.13、3.1.14、3.1.17小节。
    • 1111 1XX：设备身份标识（Device ID）。
    • 1111 0XX：表明将使用10位地址。
• 10位地址：
  • 在7位地址的基础上进行扩展，占用2个字节，其中1个字节使用预留地址1111_0XX。
  • 其余描述略。
• 以上内容适用于超快速模式（Ultra Fast Mode）以外的模式。 超快速模式有自己的协议规范，在以上内容的基础上有所不同，不继续展开， 感兴趣的可直接查阅原文档3.2小节。

4、I2C的若干变体

略。

5、不同的总线速率

• 双向模式（向下兼容）：
  • Standard Mode：标准模式，<= 100 kbit/s
  • Fast Mode：快速模式，<= 400 kbit/s
  • Fast Mode Plus：快速模式增强版，<= 1 Mbit/s
  • High-speed Mode：高速模式，<= 3.4 Mbit/s
• 单向模式（与前面不兼容）：
  • Ultra Fast Mode：超快速模式，<= 5 Mbit/s
• 除标准模式之外的其余四种模式的专属特性和时序，以及多种模式共享于同一物理总线上的注意事项， 不在此详述。

6、通信时序及相关的电气规范

略。

7、设备与总线的电气连接规范

略。

8、缩略词

• I2C-bus：Inter-Integrated Circuit bus，集成电路互连总线。

• 其余略。

9、MIPI-I3C概述

略。