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      I2C串行擴展總線

      發布時間:2023-10-22
      i2c總線是philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。它用兩根線實現了完備的全雙工同步數據傳送,可以極為方便地構成多機系統和外圍器件擴展系統。i2c總線采用了器件地址的硬件設置方法,通過軟件尋址完全避免了器件的片選線尋址方法,從而使硬件系統具有簡單靈活的擴展方法,按照i2c總線規范,總線傳輸中的所有狀態都生成相對應的狀態碼,系統中的主機能夠依照這些狀態碼自動地進行總線管理,用戶只要在程序中裝入這些標準處理模塊,根據數據操作要求完成i2c總線的初始化,啟動i2c總線,就能自動完成規定的數據傳送操作。i2c總線接口電路結構如圖1所示。
      i2c總線接口為開漏或開集電極輸出,需加上拉電阻。系統中所有的單片機、外圍器件都將數據線sda和時鐘線scl的同名端相連在一起,總線上的所有節點都由器件和管腳給定地址。系統中可以直接連接具有i2c總統接口的單片機,也可以通過總線擴展芯片或i/o口的軟件仿真與i2c總線相連。在i2c總線上可以掛接各種類型的外圍器件,如ram/eprom、日歷/時鐘、a/d轉換器、d/a轉換器以及由i/o口、顯示驅動器構成的各種模塊。
      i2c總線上數據傳送的基本單位為字節,采用低位在前的格式。主從器件之間一次傳輸的數據稱為一幀,由啟動信號、若干個數據字節和應答位以及停止信號組成??梢钥闯?,i2c
      圖1 i2c總線接口電路結構
      的主要命令只有讀、寫兩種,雖然讀寫的字節根據具體器件的不同而不同,但其時序關系不會發生改變。根據這一點,下位機只要具備i2c的基本時序即可。這些基本時序包括:啟動、寫字節、讀字節、應答位、停止信號,并可以組合成兩個子程序:讀n字節子程序、寫n字節子程序。
      帶有i2c器件的讀寫操作有多種形式,寫操作有兩種類型:字節寫和頁面寫;讀操作有三種類型:讀當前地址內容、讀隨機地址內客和讀順序地址內容。以at24c01為例,寫n個字節數據的操作時序如圖2所示,at24c01讀n個字節技據的操作時序如圖3所示。
      8位
      8位
      8位
      8位
      8位
      起始信號
      器件地址
      響應信號
      字地址
      響應信號
      數據1
      響應信號
      數據2
      響應信號

      數據n
      響應信號
      結束信號
      寫操作
      寫操作
      寫操作
      寫操作
      圖2 at24c01寫n個字節數據的操作時序
      8位
      8位
      8位
      8位
      起始信號
      器件地址
      響應信號
      字地址
      響應信號
      數據1
      響應信號

      數據n
      響應信號
      結束信號
      寫操作
      讀操作
      讀操作
      圖3 at24c01讀n個字節數據的操作時序
      上圖中器件地址說明如下:
      ①器件地址碼的第7~4位為從器件地址位,用于確認器件的類型。at24c01的器件地址碼為1010,1010表示從器件為串行e2prom。
      ②器件地址碼的第3~l位為第l~第8片的片選或存儲器內的頁面地址選擇位。此三個控制位用于片選或者內部頁面選擇。
      如在存儲容量8kb(1024×8位)的at24c01內部,存儲矩陣分為4個頁面,每一頁面有256個字節。通過器件地址碼的第2位和第1位,可以選擇數據讀寫的頁面。
      ③器件地址碼的第0位為讀、寫(r/w)操作控制碼。若此位為1,下一字節進行讀操作(r);此位為0,下一字節進行寫操作(w)。
      at24c01每接收一個字節后,都必須發送一個確認應答信號位ack,即時序中的響應信號。此時單片機必須產生一個與此確認位相應的時鐘脈沖。at24c01在讀寫操作時。具有地址自動加1功能,即讀、寫完某一地址空間后,會自動指向下一個地址單元。
      i2c總線最顯著的特點是規范的完整性、結構的獨立性和用戶使用時的“傻瓜”化。i2c總統有嚴格的規范,如接口的電氣特性、信號時序、信號傳輸的定義、總線狀態設置、總線管理規則及總線狀態處理等。
      在i2c總線規范中??偩€上的器件節點具有極大的獨立性,而且各節點上的器件、模塊都有相對獨立的地址編號。
      嚴格、完善的規范,并將這些規范的應用盡可能“傻瓜”化,除了有充分的硬件支持外,在軟件方面,philips公司為用戶提供了一套完善的總線狀態處理軟件包,以致于用戶可以不去熟悉i2c總線的規范,不去理睬總線的管理方法,只要掌握i2c總線的應用程序設計方法就可方使地使用i2c總線,并且能很快地掌握i2c總線系統的軟、硬件設計方法。
      由于i2c總線系統中,各個節點的電氣特性及地址給定都具有較強的獨立性,因此,在應用系統中采用i2c總線結構就有可能實現用戶夢寐以求的器件及功能單元的軟、硬件標準化和模塊化設計。
      器件及功能單元的標準化、模塊化,取決于器件單元硬件電氣連接的最少相關性與軟件的獨立性。軟件的獨立性則表現在獨立編址及數據傳送方式的簡單化與單一性。而i2c總線所具有的特點很好地滿足了上述要求。
      在硬件結構上,任何一個具有i2c總線接口的外圍器件,不僅其功能差別有多大,都具有相同的電氣接口;除了總線外,各器件節點沒有其他電氣連接,甚至各節點的電源都可以單獨供電;在各器件節點上沒有并行擴展時所必須的片選線,器件地址給定完全取決于器件類型與單元電路結構。在軟件上,不論何種器件,其i2c總線的數據傳送都具有相同的操作模式,而且每個器件操作時都與其他器件節點無關。在實際使用中,總線節點上的器件甚至可在總線工作狀態下掛上總線或撤除。
      目前i2c總線大量應用在視頻、音像系統中,philips推出的近200種i2c總統接口器件主要是視頻、音像類器件。除philips公司外,i2c總線已被眾多的廠家使用在高檔電視機、電話機、音響、攝/錄像系統中,在大量測控領域單片機應用系統中正逐步推廣。
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