I2C 笔记

# Emaan Rana 来源：https://rana-emaan.com/read/notes/i2c/ > 我在7天内重写了三次，并且在这些图表上花了太多时间，希望这次能达到标准。 ## I2C - 代表 Inter-Integrated Circuit（集成电路间总线），缩写为 I2C 或 I²C。 - 它是一种同步、双线制的串行通信总线，用于短距离连接低速外设。 ## SDA - 代表 `Serial DAta`（串行数据）。 - 在设备之间双向传输数据。 ## SCL - 代表 `Serial CLock`（串行时钟）。 - 承载时钟信号，用于同步所有数据传输。 ## 拓扑结构 - 总线上至少有一个控制器和一个目标。 - 常见情况是单个控制器和一个或多个目标。 - 不常见的情况下，可以有多个控制器（多控制器）。 - 目标可以连接到线路上的任意点。 - 每条线都连接到各自的上拉电阻，这些电阻连接到相同的正电压。 ## 开漏 - 在 I2C 中，`SDA` 和 `SCL` 空闲时为 `HIGH`（高电平），即默认状态为高电平。因此，I2C 被认为是一个“开漏”系统。 - 当漏极闭合时，`SDA` 和 `SCL` 被拉至 `LOW`（低电平，接地）。 - 当漏极断开时，`SDA` 和 `SCL` 返回 `HIGH`（高电平，连接到正电压）。 ### 总线仲裁 - I2C 可以在同一总线上支持多个控制器。解决冲突的方式自然源于开漏设计。 #### 线与逻辑 - 在开漏总线上，驱动 `LOW` 是一个主动动作（将线路拉至地），而驱动 `HIGH` 是一个被动释放（让上拉电阻将线路恢复到正电压）。 - 如果一个设备拉 `LOW`，而另一个设备释放为 `HIGH`，则线路变为 `LOW`。也就是说： - **拉低总是覆盖释放**。 - 因此，总线在逻辑上等同于将所有设备的输出进行“与”运算。这个特性称为“线与逻辑”，它是实现仲裁的电气基础。 #### 解决冲突 - 每个发送中的控制器都必须在发送时监视 `SDA`。 - 在每个位上，控制器比较它试图发送的内容与 `SDA` 线上实际出现的内容。 - 如果匹配，则无冲突，控制器继续发送。 - 如果控制器试图发送 `HIGH` 但读回的是 `LOW`，则说明另一个控制器正在拉低，该控制器失去仲裁并停止驱动总线，等待下一个“停止条件”，然后再次尝试申请总线。 - 获胜的控制器永远不会知道发生了冲突。它在线路上看到自己的位，并继续其未受损坏的交易。 - 总之，开漏使仲裁成为电气设计的被动结果，而非主动的协议特性。 > 两个控制器都可以通过在“起始条件”期间将 `SDA` 拉低来成功申请总线。冲突在紧随其后的地址传输期间解决：当两个控制器逐位输出它们的目标地址时，它们第一个不同的位就是仲裁的决胜点： > - 试图发送 `HIGH` 而另一个发送 `LOW` 的控制器检测到不匹配并退出。 > - 获胜的控制器继续传输，甚至不知道发生了仲裁。 > 如果两个控制器在整个交易过程中发送了**相同**的位呢？ > - 两者都不会检测到冲突！ > - 两个控制器都看到总线与它们发送的每一位相匹配，都认为它们拥有总线，并且都成功完成了交易！ > - 规范实际上指出了这一点： >> 如果发送内容相同，两个控制器实际上可以完成整个交易而不会出错。 > - 这不是一个缺陷，而是设计的故意特性。目标仍然收到一个连贯的交易，两个控制器驱动总线的事实是不可见的且无害的，因为它们发送给目标的信号是相同的。 > - 出于其他原因（我不在此赘述），规范建议多控制器系统应设计其软件协议，以尽可能避免相同传输的场景，或者接受相同交易是无害的重复。 随着我们稍后探索这些概念，这一点会变得更加清晰。如果现在还不明白，请稍后再回头重读这一部分！ ## 上拉 - 拉**低**一条线通常比拉**高**一条线快得多。 - 上拉时间是总线电容和上拉电阻值的函数。 - 这些电阻的典型值为 1-10 kΩ。上拉电阻是一种折衷： - 高电阻会增加上拉线路所需的时间，从而限制最大总线速度。 - 较低的电阻可实现更快的通信，但需要更高的功耗。 ## 速度 | 模式 | 速度 | |------|------| | 标准模式 | 100 kbps | | 快速模式 | 400 kbps | | 快速+模式 | 1 Mbps | | 高速模式 | 3.4 Mbps | | 超快模式 | 5 Mbps | - I2C 可以以不同的总线速度运行，通常称为模式。 - 硬件被指定为符合其理论上能达到的最高模式。 - 超快模式是只写的，并对协议进行了一些修改。 - 高速模式设备向后兼容较低速度。 ## 角色 - 在 I2C 中，有些角色不会改变，我称之为“固定角色”。 - 固定角色描述了谁控制总线。 - 还有一些角色会根据交易类型（读/写）**发生变化**，我称之为“交易角色”。 - 交易角色描述了在交易过程中谁在说话，谁在监听。 - 控制器始终是控制器，目标始终是目标，但它们可能是发送者或接收者，具体取决于当前交易（读/写）的方向。 ## 固定角色 - 这些角色由硬件/软件设计决定，在交易期间不会改变。 ### 控制器 - 控制器是在 I2C 交易期间“拥有”总线的设备。 - 控制交易何时开始（`START` 条件）和何时停止（`STOP` 条件）。 - 决定交易是“读”还是“写”。 - 驱动时钟线 `SCL`。 - 选择哪个目标将参与交易。 > 注意：这原本被称为“Master（主设备）”，在许多解释和库中仍如此称呼。目前正在努力将其改为“Controller（控制器）”，这也是我选择使用的术语。 ### 目标 - 目标是一种被动参与者，从不会主动发起任何操作。 - 持续监听其地址，以便参与由控制器发起的交易。 - 仅在控制器寻址时响应。 - 从不触碰时钟线 `SCL`，**除了**有时执行 [时钟拉伸](https://rana-emaan.com/read/notes/i2c/#clock-stretching)。 > 注意：这原本被称为“Slave（从设备）”，在许多解释和库中仍如此称呼。目前正在努力将其改为“Target（目标）”，这也是我选择使用的术语。 ## 交易角色 - 这些角色是控制器或目标在交易中可能承担的角色，**取决于**交易是“读”还是“写”。 ### 发送者 - 实际驱动数据线 `SDA` 并发送数据的设备。 - 发送者是： - `读`：目标 - `写`：控制器 ### 接收者 - 读取数据线 `SDA` 的设备。 - 接收者是： - `读`：控制器 - `写`：目标 ## R/W 位 - 这是控制器在交易期间设置的一个位，决定执行“读”还是“写”，进而决定交易角色（谁是发送者，谁是接收者）。 - `读`：1 - 控制器希望从目标接收数据。 - `写`：0 - 控制器希望向目标发送数据。 ### 读 - 控制器 `读`： - 发送者：目标 - 接收者：控制器 > 注意：在控制器 `读` 期间，控制器仍保持其固定角色（控制 `SCL`、发起交易），但承担了接收者的交易角色，而目标则作为发送者拥有 `SDA`。 ### 写 - 控制器 `写`： - 发送者：控制器 - 接收者：目标 ## ACK/NACK 位 - 这是交易中每个字节数据之后的“握手”位。 - 在 **数据传输** 期间，`ACK/NACK` 位**始终**由交易的接收者设置，接收者可以是控制器**或**目标。 - 在 **目标选择** 期间（在任何数据传输之前），`ACK/NACK` 位**始终**由目标设置，无论交易是“读”还是“写”，也不管目标是发送者还是接收者。 ### ACK - 代表 `ACKnowledge`（确认）。 - 拉低至 0，这在开漏系统中是主动操作。 ### NACK - 代表 `Negative ACKnowledge`（否定确认）。 - 释放为高电平 1，这在开漏系统中是被动操作或“无操作”。 #### 读 - 在“读”交易期间，控制器是接收者，并在数据传输期间设置 `ACK/NACK` 位。 - 当控制器设置 `NACK` 位时，它**不**表示错误（这种情况仅发生在“读”交易中）。 - 在这种情况下，`NACK` 告诉发送者（这里是目标）停止向控制器发送数据。 #### 写 - 在“写”交易期间，目标是接收者，并在数据传输期间设置 `ACK/NACK` 位。 - 当目标在目标选择**或**数据传输期间设置 `NACK` 位时，表示发生了错误。 ## 信号 - I2C 总线上的所有设备持续监视 `SDA` 和 `SCL`。 - 每个设备都需要知道交易何时开始和结束，以便适时参与。 ## 数据有效性 - “数据有效性”是控制数据位传输的规则。 - I2C 规范定义“数据有效性”为： > - `SDA` 线上的数据必须在时钟 `HIGH` 期间保持稳定。数据线 `SDA` 的 `HIGH` 或 `LOW` 状态只能在 `SCL` 线上时钟信号为 `LOW` 时改变。 ## 条件 - “数据有效性”规则能够为两个特殊的 `START` 和 `STOP` 条件创造信号空间。 - 这些条件故意违反“数据有效性”规则，以便明确地指示 I2C 交易的 `START` 和 `STOP`。 - `START` 和 `STOP` 条件是 `SDA` 在 `SDA` 为 `HIGH` 时发生的跳变。 - 当设备在 `SCL` 为 `HIGH` 时检测到 `SDA` 跳变，它知道这不可能是数据位，并将其解释为： - `START`（如果 `SDA` 下降） - `STOP`（如果 `SDA` 上升） ### 起始条件 - “`START` 条件”发生在 `SDA` 被拉低而 `SCL` 仍为 `HIGH` 时。 - “`START` 条件”发生后，`SCL` 被拉低，交易开始。 ### 停止条件 - “`STOP` 条件”发生在 `SDA` 被释放为 `HIGH` 且 `SCL` 也为 `HIGH` 时。 - “`STOP` 条件”发生后，交易完成，I2C 总线空闲，可供申请。 ## 时钟拉伸 - “时钟拉伸”是一种机制，允许目标设备通过将 `SCL` 保持为 `LOW` 来暂停 I2C 交易。 - 通常控制器控制时钟 `SCL`，它驱动时钟，目标响应。 - 由于两条线都是开漏的，目标可以将 `SCL` 保持为 `LOW` 来暂停控制器。 - 如果控制器试图释放 `SCL` 为高以开始下一个时钟脉冲，但目标将其保持为 `LOW`，那么 `SCL` 将保持低电平。 - 控制器被设计为在继续之前检查 `SCL` 是否确实变为 `HIGH`；如果发现 `SCL` 没有变高，它会等待。 - 目标将 `SCL` 保持为 `LOW` 所需的时间，然后将其释放为 `HIGH`，允许交易正常进行。 - 目标在需要额外时间处理或准备数据时可能使用“时钟拉伸”。 > 注意：并非所有 I2C 控制器都支持时钟拉伸。如果目标拉伸时钟而控制器不支持，可能会导致问题。 ## 帧 - “帧”可以定义为 I2C 协议中传输的基本单元，始终由 9 位组成，其中最后一位是 `ACK/NACK` 位。 - “帧”这个术语并非 I2C 规范的“官方”用语，但在理解和讨论 I2C 时经常被使用。 - 有两种类型的帧，虽然都由 9 位组成，但第一个字节的构成略有不同： 1. 目标地址帧 2. 数据帧 ## 目标地址帧 - “目标地址帧”始终是任何 I2C 交易中的**第一个**帧。 - 它确定哪个目标将参与交易，以及将发生何种类型的交易（读/写）。 ### 目标地址 - “目标地址帧”的前 7 位是“目标地址”。 - I2C 上的每个目标必须有一个固定地址。 - 地址通常为 7 位（较少使用 10 位），先发送最高有效位（MSB）。 - 地址对于设备来说是硬编码的，并且可能（部分）通过外部地址线或跳线进行配置。 - 例如，MPU-6050 的默认 I2C 地址是 `0x68`，但可以通过焊接设备上的跳线配置为 `0x69`。 - 如果我们想在 I2C 总线上放置多个相同的设备，以便将其区分为两个不同的目标，这非常有用。 - 由于地址是 7 位，地址范围是 128 个唯一地址，从 `0x00` 到 `0x7F`。 - 实际上，其中一些地址被 I2C 规范保留。 ### R/W 位 - “目标地址帧”中的第 8 位是“R/W 位”。 - I2C 交易可以是“读”或“写”。这通过设置“R/W 位”来决定。 - `读`：1（释放为 `HIGH`） - `写`：0（拉低） ### ACK/NACK 位 - “目标地址帧”中的第 9 位（最后一位）是“`ACK/NACK` 位”。 - “目标地址帧”中的 `ACK/NACK` **始终**由目标设置。 ## 数据帧 - “数据帧”包含 I2C 交易的实际数据有效载荷。 - I2C 交易中的第一个“数据帧”始终紧跟在“目标地址帧”之后。 ### 数据字节 - “数据字节”是 8 位，先发送最高有效位（MSB），**就是**实际的数据有效载荷。 - 如前所述，数据由发送者（取决于 R/W 位，控制器或目标）发送。 > - 注意 `ACK/NACK` 由接收者设置，但“数据字节”由发送者设置。 - 这些数据字节可能都是数据，但通常其中一个字节指示目标设备中的内部地址或寄存器位置。 - 例如，如果控制器想要向目标中的特定寄存器写入某个值，数据字节可能是该寄存器的地址或位置，第二个数据字节则是要写入该位置的实际数据。 - 在许多情况下，一个 I2C 交易中会发送多个数据字节。 - 额外的字节简单地连接到前一个字节之后，中间用 `ACK` 位分隔。稍后会更清楚地说明这一点。 ### ACK/NACK 位 - “数据帧”中的第 9 位（最后一位）是“`ACK/NACK` 位”。 - 由交易中的接收者设置。 ## 交易 - 此图一目了然地展示了 I2C 交易。 - 交易始终遵循相同布局： 1. 起始条件 2. 目标地址帧 3. 数据帧 4. 重复起始 (https://rana-emaan.com/read/notes/i2c/#repeated-start)（可选） 5. 停止条件 ## 写 - 此图具体展示了 I2C “控制器 `写`”，并说明了是控制器还是目标设置了数据线 `SDA` 上的位。 ## 多次写 `START` 目标地址 `W` `ACK` 数据字节 `ACK` ... 数据字节 `ACK` `STOP` > 注意：与“多次读”不同，在一连串的 `写` 中，目标是 `ACK/NACK` 位的设置者，并且它**不**以 `NACK` 终止写序列，而是进行 `ACK` 和 `STOP`。 ## 代码 ```c #define MPU6050_ADDRESS 0x68 #define TICKS (1000 / portTICK_PERIOD_MS) // 1 秒 void write(uint8_t reg, uint8_t data) { i2c_cmd_handle_t cmd = i2c_cmd_link_create(); // 命令链 ```