i2c總線是由philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，多用于連接微處理器及其外圍設(shè)備。i2c總線的主要特點是接口方式簡單，兩條線可以掛多個參與通信的器件，即多機(jī)模式，而且任何一個器件都可以作為主機(jī)，當(dāng)然同一時刻只能一個主機(jī)。
從原理上來講，uart屬于異步通信，比如電腦發(fā)送給單片機(jī)，電腦只負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)通過txd發(fā)送出來即可，接收數(shù)據(jù)是單片機(jī)自己的事情。而i2c屬于同步通信，scl時鐘線負(fù)責(zé)收發(fā)雙方的時鐘節(jié)拍，sda數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。i2c的發(fā)送方和接收方都以scl這個時鐘節(jié)拍為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
從應(yīng)用上來講，uart通信多用于板間通信，比如單片機(jī)和電腦，這個設(shè)備和另外一個設(shè)備之間的通信。而i2c多用于板內(nèi)通信，比如單片機(jī)和我們本章要學(xué)的eeprom之間的通信。
1、i2c時序初步認(rèn)識
在硬件上，i2c總線是由時鐘總線scl和數(shù)據(jù)總線sda兩條線構(gòu)成，連接到總線上的所有的器件的scl都連到一起，所有的sda都連到一起。i2c總線是開漏引腳并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，因此我們外部要添加上拉電阻。對于開漏電路外部加上拉電阻的話，那就組成了線“與”的關(guān)系?？偩€上線“與”的關(guān)系，那所有接入的器件保持高電平，這條線才是高電平。而任意一個器件輸出一個低電平，那這條線就會保持低電平，因此可以做到任何一個器件都可以拉低電平，也就是任何一個器件都可以作為主機(jī)，如圖1所示，我們添加了r63和r64兩個上拉電阻。
圖1i2c總線的上拉電阻
雖然說任何一個設(shè)備都可以作為主機(jī)，但絕大多數(shù)情況下我們都是用微處理器，也就是我們的單片機(jī)來做主機(jī)，而總線上掛的多個器件，每一個都像電話機(jī)一樣有自己唯一的地址，在信息傳輸?shù)倪^程中，通過這唯一的地址可以正常識別到屬于自己的信息，在我們的kst-51開發(fā)板上，就掛接了2個i2c設(shè)備，一個是24c02，一個是pcf8591。
我們在學(xué)習(xí)uart串行通信的時候，知道了我們的通信流程分為起始位、數(shù)據(jù)位、停止位這三部分，同理在i2c中也有起始信號、數(shù)據(jù)傳輸和停止信號，如圖2所示。
圖2i2c時序流程圖
從圖上可以看出來，i2c和uart時序流程有相似性，也有一定的區(qū)別。uart每個字節(jié)中，都有一個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1位停止位。而i2c分為起始信號，數(shù)據(jù)傳輸部分，最后是停止信號。其中數(shù)據(jù)傳輸部分，可以一次通信過程傳輸很多個字節(jié)，字節(jié)數(shù)是不受限制的，而每個字節(jié)的數(shù)據(jù)最后也跟了一位，這一位叫做應(yīng)答位，通常用ack表示，有點類似于uart的停止位。
下面我們一部分一部分的把i2c通信時序進(jìn)行剖析。之前我們學(xué)過了uart，所以學(xué)習(xí)i2c的過程我盡量拿uart來作為對比，這樣有助于更好的理解。但是有一點大家要理解清楚，就是uart通信雖然我們用了txd和rxd兩根線，但是實際一次通信，1條線就可以完成，2條線是把發(fā)送和接收分開而已，而i2c每次通信，不管是發(fā)送還是接收，必須2條線都參與工作才能完成，為了更方便的看出來每一位的傳輸流程，我們把圖2改進(jìn)成圖3。
圖3i2c通信流程解析
起始信號：uart通信是從一直持續(xù)的高電平出現(xiàn)一個低電平標(biāo)志起始位；而i2c通信的起始信號的定義是scl為高電平期間，sda由高電平向低電平變化產(chǎn)生一個下降沿，表示起始信號，如圖14-3中的start部分所示。
數(shù)據(jù)傳輸：首先，uart是低位在前，高位在后；而i2c通信是高位在前，低位在后。第二，uart通信數(shù)據(jù)位是固定長度，波特率分之一，一位一位固定時間發(fā)送完畢就可以了。而i2c沒有固定波特率，但是有時序的要求，要求當(dāng)scl在低電平的時候，sda允許變化，也就是說，發(fā)送方必須先保持scl是低電平，才可以改變數(shù)據(jù)線sda，輸出要發(fā)送的當(dāng)前數(shù)據(jù)的一位；而當(dāng)scl在高電平的時候，sda絕對不可以變化，因為這個時候，接收方要來讀取當(dāng)前sda的電平信號是0還是1，因此要保證sda的穩(wěn)定不變化，如圖14-3中的每一位數(shù)據(jù)的變化，都是在scl的低電平位置。8為數(shù)據(jù)位后邊跟著的是一位響應(yīng)位，響應(yīng)位我們后邊還要具體介紹。
停止信號：uart通信的停止位是一位固定的高電平信號；而i2c通信停止信號的定義是scl為高電平期間，sda由低電平向高電平變化產(chǎn)生一個上升沿，表示結(jié)束信號，如圖14-3中的stop部分所示。
2、i2c尋址模式
上面介紹的是i2c每一位信號的時序流程，而i2c通信在字節(jié)級的傳輸中，也有固定的時序要求。i2c通信的起始信號(start)后，首先要發(fā)送一個從機(jī)的地址，這個地址一共有7位，緊跟著的第8位是數(shù)據(jù)方向位(r/w)，‘0’表示接下來要發(fā)送數(shù)據(jù)(寫)，‘1’表示接下來是請求數(shù)據(jù)(讀)。
我們知道，打電話的時候，當(dāng)撥通電話，接聽方撿起電話肯定要回一個“喂”，這就是告訴撥電話的人，這邊有人了。同理，這個第九位ack實際上起到的就是這樣一個作用。當(dāng)我們發(fā)送完了這7位地址和1位方向位，如果我們發(fā)送的這個地址確實存在，那么這個地址的器件應(yīng)該回應(yīng)一個ack‘0’，如果不存在，就沒“人”回應(yīng)ack。
那我們寫一個簡單的程序，訪問一下我們板子上的eeprom的地址，另外在寫一個不存在的地址，看看他們是否能回一個ack，來了解和確認(rèn)一下這個問題。
我們板子上的eeprom器件型號是24c02，在24c02的數(shù)據(jù)手冊3.6部分說明了，24c02的7位地址中，其中高4位是固定的1010，而低3位的地址取決于我們電路的設(shè)計,由芯片上的a2、a1、a0這3個引腳的實際電平?jīng)Q定，來看一下我們的24c02的電路圖，如圖4所示。
圖424c02原理圖
從圖4可以看出來，我們的a2、a1、a0都是接的gnd，也就是說都是0，因此我們的7位地址實際上是二進(jìn)制的1010000，也就是0x50。我們用i2c的協(xié)議來尋址0x50，另外再尋址一個不存在的地址0x62，尋址完畢后，把返回的ack顯示到我們的1602液晶上，大家對比一下。
/***********************lcd1602.c文件程序源代碼*************************/
#include<reg52.h>
#definelcd1602_dbp0
sbitlcd1602_rs=p1^0;
sbitlcd1602_rw=p1^1;
sbitlcd1602_e=p1^5;
voidlcdwaitready()//等待液晶準(zhǔn)備好
{
unsignedcharsta;
lcd1602_db=0xff;
lcd1602_rs=0;
lcd1602_rw=1;
do
{
lcd1602_e=1;
sta=lcd1602_db;//讀取狀態(tài)字
lcd1602_e=0;
}while(sta&0x80);//bit7等于1表示液晶正忙，重復(fù)檢測直到其等于0為止
}
voidlcdwritecmd(unsignedcharcmd)//寫入命令函數(shù)
{
lcdwaitready();
lcd1602_rs=0;
lcd1602_rw=0;
lcd1602_db=cmd;
lcd1602_e=1;
lcd1602_e=0;
}
voidlcdwritedat(unsignedchardat)//寫入數(shù)據(jù)函數(shù)
{
lcdwaitready();
lcd1602_rs=1;
lcd1602_rw=0;
lcd1602_db=dat;
lcd1602_e=1;
lcd1602_e=0;
}
voidlcdshowstr(unsignedcharx,unsignedchary,constunsignedchar*str)//顯示字符串，屏幕起始坐標(biāo)(x,y)，字符串指針str
{
unsignedcharaddr;
//由輸入的顯示坐標(biāo)計算顯示ram的地址
if(y==0)
addr=0x00+x;//第一行字符地址從0x00起始
else
addr=0x40+x;//第二行字符地址從0x40起始
//由起始顯示ram地址連續(xù)寫入字符串
lcdwritecmd(addr|0x80);//寫入起始地址
while(*str!='\0')//連續(xù)寫入字符串?dāng)?shù)據(jù)，直到檢測到結(jié)束符
{
lcdwritedat(*str);
str++;
}
}
voidlcdinit()//液晶初始化函數(shù)
{
lcdwritecmd(0x38);//16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口
lcdwritecmd(0x0c);//顯示器開，光標(biāo)關(guān)閉
lcdwritecmd(0x06);//文字不動，地址自動+1
lcdwritecmd(0x01);//清屏
}
/*************************main.c文件程序源代碼**************************/
#include<reg52.h>
#include<intrins.h>
#definei2cdelay(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
sbiti2c_scl=p3^7;
sbiti2c_sda=p3^6;
biti2caddressing(unsignedcharaddr);
externvoidlcdinit();
externvoidlcdshowstr(unsignedcharx,unsignedchary,constunsignedchar*str);
voidmain()
{
bitack;
unsignedcharstr[10];
lcdinit();//初始化液晶
ack=i2caddressing(0x50);//查詢地址為0x50的器件
str[0]='5';//將地址和應(yīng)答值轉(zhuǎn)換為字符串
str[1]='0';
str[2]=':';
str[3]=(unsignedchar)ack+'0';
str[4]='\0';
lcdshowstr(0,0,str);//顯示到液晶上
ack=i2caddressing(0x62);//查詢地址為0x62的器件
str[0]='6';//將地址和應(yīng)答值轉(zhuǎn)換為字符串
str[1]='2';
str[2]=':';
str[3]=(unsignedchar)ack+'0';
str[4]='\0';
lcdshowstr(8,0,str);//顯示到液晶上
while(1)
{}
}
voidi2cstart()//產(chǎn)生總線起始信號
{
i2c_sda=1;//首先確保sda、scl都是高電平
i2c_scl=1;
i2cdelay();
i2c_sda=0;//先拉低sda
i2cdelay();
i2c_scl=0;//再拉低scl
}
voidi2cstop()//產(chǎn)生總線停止信號
{
i2c_scl=0;//首先確保sda、scl都是低電平
i2c_sda=0;
i2cdelay();
i2c_scl=1;//先拉高scl
i2cdelay();
i2c_sda=1;//再拉高sda
i2cdelay();
}
biti2cwrite(unsignedchardat)//i2c總線寫操作，待寫入字節(jié)dat，返回值為從機(jī)應(yīng)答位的值
{
bitack;//用于暫存應(yīng)答位的值
unsignedcharmask;//用于探測字節(jié)內(nèi)某一位值的掩碼變量
for(mask=0x80;mask!=0;mask>>=1)//從高位到低位依次進(jìn)行
{
if((mask&dat)==0)//該位的值輸出到sda上
i2c_sda=0;
else
i2c_sda=1;
i2cdelay();
i2c_scl=1;//拉高scl
i2cdelay();
i2c_scl=0;//再拉低scl，完成一個位周期
}
i2c_sda=1;//8位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，主機(jī)釋放sda，以檢測從機(jī)應(yīng)答
i2cdelay();
i2c_scl=1;//拉高scl
i2cdelay();
ack=i2c_sda;//讀取此時的sda值，即為從機(jī)的應(yīng)答值
i2c_scl=0;//再拉低scl完成應(yīng)答位，并保持住總線
returnack;//返回從機(jī)應(yīng)答值
}
biti2caddressing(unsignedcharaddr)//i2c尋址函數(shù)，即檢查地址為addr的器件是否存在，返回值為其應(yīng)答值，即應(yīng)答則表示存在，非應(yīng)答則表示不存在
{
bitack;
i2cstart();//產(chǎn)生起始位，即啟動一次總線操作
ack=i2cwrite(addr<<1);//器件地址需左移一位，因?qū)ぶ访畹淖畹臀粸樽x寫位，用于表示之后的操作是讀或?qū)?br>
i2cstop();//不需進(jìn)行后續(xù)讀寫，而直接停止本次總線操作
returnack;
}
我們把這個程序在kst-51開發(fā)板上運行完畢，會在液晶上邊顯示出來我們預(yù)想的結(jié)果，主機(jī)發(fā)送一個存在的從機(jī)地址，從機(jī)會回復(fù)一個應(yīng)答位；主機(jī)如果發(fā)送一個不存在的從機(jī)地址，就沒有從機(jī)應(yīng)答。
前邊我有提到過有一個利用庫函數(shù)_nop_()來進(jìn)行精確延時，一個_nop_()的時間就是一個機(jī)器周期，這個庫函數(shù)是包含在了intrins.h這個庫文件中，我們?nèi)绻褂眠@個庫函數(shù)，只需要在程序最開始，和包含reg52.h一樣，include<intrins.h>之后，我們程序就可以直接使用這個庫函數(shù)了。
還有一點要提一下，i2c通信分為低速模式100kbit/s，快速模式400kbit/s和高速模式3.4mbit/s。因為所有的i2c器件都支持低速，但卻未必支持另外兩種速度，所以作為通用的i2c程序我們選擇100k這個速率來實現(xiàn)，也就是說實際程序產(chǎn)生的時序必須小于等于100k的時序參數(shù)，很明顯也就是要求scl的高低電平持續(xù)時間都不短于5us，因此我們在時序函數(shù)中通過插入i2cdelay()這個總線延時函數(shù)（它實際上就是4個nop指令，用define在文件開頭做了定義），加上改變scl值語句本身占用的至少一個周期，來達(dá)到這個速度限制。如果以后需要提高速度，那么只需要減小這里的總線延時時間即可。
此外我們要學(xué)習(xí)一個發(fā)送數(shù)據(jù)的技巧，就是i2c通信時如何將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。大家注意寫函數(shù)中，我用的那個for循環(huán)的技巧。for(mask=0x80;mask!=0;mask>>=1)，由于i2c通信是從高位開始發(fā)送數(shù)據(jù)，所以我們先從最高位開始，0x80和dat進(jìn)行按位與運算，從而得知dat第7位是0還是1，然后右移一位，也就是變成了用0x40和dat按位與運算，得到第6位是0還是1，一直到第0位結(jié)束，最終通過if語句，把dat的8位數(shù)據(jù)依次發(fā)送了出去。其他的邏輯大家對照前邊講到的理論知識，認(rèn)真研究明白就可以了。