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【導(dǎo)讀】I²C，即Inter-Integrated Circuit，是一種常用的串行通信協(xié)議，用于在器件之間——特別是兩個(gè)或兩個(gè)以上不同電路之間建立通信。I²C Primer是最常用的I²C。本文將介紹I²C Primer的基本特性和標(biāo)準(zhǔn)，并重點(diǎn)說(shuō)明在通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程中如何正確使用該協(xié)議。從I²C的基本原理出發(fā)，我們將介紹其變體子集——系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)——的可用性及二者的區(qū)別。這三種協(xié)議各有專(zhuān)門(mén)的功能，旨在滿足不同的客戶需求。

為何重要？

I²C 有利于設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)的眾多節(jié)點(diǎn)之間建立簡(jiǎn)單、雙向、靈活的通信。I²C僅使用兩條雙向線來(lái)發(fā)送和接收信息，從而降低了復(fù)雜性。它還允許設(shè)計(jì)人員配置多個(gè)主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)IC之間的通信。I²C對(duì)管理系統(tǒng)和電源的開(kāi)發(fā)人員也很有利，讓他們能夠在盡可能短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建高質(zhì)量的產(chǎn)品。

"溝通（通信）對(duì)那些致力于溝通（通信）的人有用。"

—John Powell

通信協(xié)議在組織設(shè)備之間通信時(shí)扮演著重要角色。它基于系統(tǒng)要求而以不同方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。此類(lèi)協(xié)議具有明確的、為實(shí)現(xiàn)成功通信而協(xié)商一致的規(guī)則。

如果您曾經(jīng)使用LED顯示器、傳感器甚至加速度計(jì)模塊之類(lèi)的東西構(gòu)建過(guò)系統(tǒng)，那么您很可能已經(jīng)使用過(guò)I²C。I²C支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接單個(gè)主器件和多個(gè)主器件連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性。如果您希望物盡其用，讓一個(gè)微控制器將數(shù)據(jù)記錄到單個(gè)存儲(chǔ)卡，或向單個(gè)LCD顯示文本，則此特性非常有用。

除了最常用的I²C Primer，I²C還有兩個(gè)變體，分別專(zhuān)注于系統(tǒng)和電源應(yīng)用，稱為系統(tǒng)管理總線(SMBus)和電源管理總線(PMBus)。

根據(jù)定義，Inter-Integrated Circuit (I²C)——也稱為Inter IC——是一種硬件通信協(xié)議，它通過(guò)一條多主器件、多節(jié)點(diǎn)、串行通信總線進(jìn)行同步通信。同步通信意味著兩個(gè)（或兩個(gè)以上）交換數(shù)據(jù)的器件共享一條公共時(shí)鐘線。I²C廣泛用于將低速外圍IC連接到處理器和微控制器。I²C總線由飛利浦公司設(shè)計(jì)，它讓位于同一電路板上的器件之間可以輕松通信。

I²C Primer

接口

使用一條串行數(shù)據(jù)(SDA)線、一條串行時(shí)鐘(SCL)線和一個(gè)公共接地來(lái)承載所有通信，最大程度地減少連接。

圖 1. 集成電路彼此直接通信

每個(gè)I²C器件有兩條線路：

●    SDA是供主器件和節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的線路。

●    SCL是承載時(shí)鐘信號(hào)的線路。SCL總是由I²C主器件生成。規(guī)范對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的低相位和高相位有最短周期要求。

I²C總線僅使用兩條雙向線路：每個(gè)器件的SDA和SCL用于簡(jiǎn)單的IC間通信。

圖 2. I²C 上拉電阻連接

硬件最重要的注意是在SDA和SCL上加入上拉電阻。I²C器件通過(guò)開(kāi)集或開(kāi)漏引腳連接到總線，將線路拉低。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，I²C總線處于高電平空閑狀態(tài)；線路被被動(dòng)拉高。要傳輸數(shù)據(jù)，須切換線路，即先拉低再釋放（又變?yōu)楦唠娖剑?。?shù)據(jù)位在時(shí)鐘下降沿傳輸。

開(kāi)漏輸出需要一個(gè)上拉電阻（圖2中的R_p）才能正確輸出高電平。上拉電阻連接在輸出引腳和高電平所需的輸出電壓（圖2中的V_DD）之間。

對(duì)于V_CC和V_DD (5 V)的典型值，4700 Ω是最常用的上拉電阻值。

作為參考，屏蔽2 AWG雙絞線電纜的電容范圍為100 pF?m至240pF?m。因此，I²C鏈路的最大總線長(zhǎng)度約為1米（100 kBaud時(shí)）或10米（10 kBaud時(shí)）。非屏蔽電纜的電容通常要小得多，但只能用在以其他方式加以屏蔽的外殼內(nèi)。

表1總結(jié)了I²C的關(guān)鍵特性。

表1. I²C匯總

理論上，尋址模式的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為2⁷或2¹⁰，但有16個(gè)地址保留用于特殊用途。

I²C 是同步的，因此位的輸出通過(guò)主器件和節(jié)點(diǎn)之間共享的時(shí)鐘信號(hào)與位的采樣同步。時(shí)鐘信號(hào)始終由主器件控制。

保留I²C節(jié)點(diǎn)地址

有16個(gè)保留I²C地址。這些地址對(duì)應(yīng)于以下兩種模式之一：0000 XXX或1111 XXX。表2顯示了為特殊目的而保留的I2C地址。

表2. I²C保留地址

I²C 工作原理

I²C 數(shù)據(jù)在消息中傳輸，消息被分解為數(shù)據(jù)幀。讀寫(xiě)協(xié)議包含地址幀（即節(jié)點(diǎn)的二進(jìn)制地址）和另一個(gè)數(shù)據(jù)幀，后者包含所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、開(kāi)始和停止條件、重復(fù)起始位、讀?寫(xiě)位以及每個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的應(yīng)答?不應(yīng)答位。

時(shí)序規(guī)格表

I²C 時(shí)序表也很重要，因?yàn)楣こ處熇盟梢栽O(shè)計(jì)出與總線要求兼容的IC。每個(gè)數(shù)據(jù)速率都有自己的時(shí)序規(guī)格，主器件和節(jié)點(diǎn)必須遵守該規(guī)格才能正確傳輸數(shù)據(jù)。

表3顯示了時(shí)序規(guī)格表上給出的符號(hào)和參數(shù)。

表3. I²C時(shí)序規(guī)格表示例

圖 3. I²C 消息

I²C 傳輸子協(xié)議

總線上的傳輸要么是讀操作，要么是寫(xiě)操作。讀取和寫(xiě)入?yún)f(xié)議建立在一系列子協(xié)議之上，例如起始和停止條件、重復(fù)起始位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸位和應(yīng)答?不應(yīng)答位。

起始條件

顧名思義，起始條件總是在傳輸開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)，并由主器件發(fā)起。這樣做是為了喚醒總線上的空閑節(jié)點(diǎn)器件。SDA線從高電平切換到低電平，然后SCL線從高電平切換到低電平。參見(jiàn)圖4。

重復(fù)起始條件

在不發(fā)出停止條件的情況下，起始條件可以在傳輸期間重復(fù)。這是一種特殊情況，稱為重復(fù)起始，用于改變數(shù)據(jù)傳輸方向、重復(fù)嘗試傳輸、同步多個(gè)IC，甚至控制串行存儲(chǔ)器。參見(jiàn)圖5。

地址幀

地址幀包含7位或10位序列，具體取決于可用性（參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)）。參見(jiàn)圖6。

不像SPI，I²C沒(méi)有節(jié)點(diǎn)選擇線路，因此它需要另一種方法來(lái)讓節(jié)點(diǎn)知道數(shù)據(jù)正向其發(fā)送，而不是向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送。這是通過(guò)尋址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。地址幀始終是新消息中起始位之后的第一幀。

主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送到其所連接的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，它便向主器件發(fā)送一個(gè)低電壓ACK位。如果地址不匹配，則節(jié)點(diǎn)什么也不做，SDA線保持高電平。

讀?寫(xiě)位

地址幀的最后一位告知節(jié)點(diǎn)，主器件是想要將數(shù)據(jù)寫(xiě)入其中還是從中接收數(shù)據(jù)。如果主器件希望將數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，則讀?寫(xiě)位處于低電平。如果主器件請(qǐng)求從節(jié)點(diǎn)得到數(shù)據(jù)，則該位處于高電平。參見(jiàn)圖7。

ACK?NACK位

消息中的每一幀后面都跟隨一個(gè)應(yīng)答?不應(yīng)答位。如果成功接收到一個(gè)地址幀或數(shù)據(jù)幀，則接收器件會(huì)向發(fā)件者返回一個(gè)ACK位。

圖例：在下面的圖中，白色框表示節(jié)點(diǎn)，藍(lán)色框表示主器件。參見(jiàn)圖8。

圖 4. 起始條件 

圖 5. 重復(fù)起始條件

圖 6. 地址幀

圖 7. 讀 / 寫(xiě)位

圖 8. 應(yīng)答 / 不應(yīng)答位

數(shù)據(jù)幀

主器件檢測(cè)到來(lái)自節(jié)點(diǎn)的ACK位之后，就準(zhǔn)備發(fā)送第一數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀總是8位長(zhǎng)，并以MSB優(yōu)先方式發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后緊接著一個(gè)ACK?NACK位，以驗(yàn)證該幀是否已成功接收。主器件或節(jié)點(diǎn)（取決于誰(shuí)發(fā)送數(shù)據(jù)）必須收到ACK位，然后才能發(fā)送下一數(shù)據(jù)幀。參見(jiàn)圖9。

停止條件

發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀之后，主器件可以向節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止條件以停止傳輸。停止條件是指SCL線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖?，然后在SCL線保持高電平的情況下，SDA線上的電壓從低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

在SCL線從低電平切換到高電平后，SDA線從低電平切換到高電平。參見(jiàn)圖10。

I²C傳輸步驟：寫(xiě)入

有關(guān)寫(xiě)入單個(gè)數(shù)據(jù)的I²C傳輸?shù)氖纠?，?qǐng)參見(jiàn)圖11。

第1步

主器件將SDA線從高電平切換到低電平，然后將SCL線從高電平切換到低電平，以將起始條件發(fā)送到每個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)。

第2步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及寫(xiě)操作位發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

例如，7位地址為0x2D，加上寫(xiě)操作位（相當(dāng)于0），結(jié)果將是0x5A。

第3步

每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間，以返回一個(gè)ACK位。如果來(lái)自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配，則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。

在SCL的第九個(gè)脈沖期間拉低SDA線路可以發(fā)送ACK位，保持浮空高電平則為NACK。

第4步

主器件發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀。

第5步

傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，接收器件再向發(fā)送者返回一個(gè)ACK位，以確認(rèn)成功接收該幀。

第6步

若要停止數(shù)據(jù)傳輸，主器件應(yīng)將SCL切換為高電平，然后將SDA切換為高電平，從而發(fā)送停止條件。

圖 9. 數(shù)據(jù)幀 

圖 10. 停止條件

圖 11.寫(xiě)入單個(gè)位置的 I²C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊(cè)示例

圖 12. 讀取單個(gè)位置的 I²C 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)手冊(cè)示例

I²C數(shù)據(jù)傳輸步驟：讀取

第1步

主器件將SDA線從高電平切換到低電平，然后將SCL線從高電平切換到低電平，以將起始條件發(fā)送到每個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)。

第2步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及寫(xiě)操作位發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

例如，7位地址為0x2D，加上寫(xiě)操作位（相當(dāng)于0），結(jié)果將是0x5A。

第3步

每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間，以返回一個(gè)ACK位。如果來(lái)自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配，則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。

第4步

經(jīng)過(guò)初始啟動(dòng)、尋址和應(yīng)答之后，主器件已經(jīng)知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)及指向的地址，因此某些器件具有重復(fù)起始條件來(lái)清理事務(wù)。

注意：僅用于閱讀目的！

第5步

主器件將其想要與之通信的節(jié)點(diǎn)的7位或10位地址以及讀操作位 發(fā)送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

例如，7位地址為0x2D，加上讀操作位（相當(dāng)于1），結(jié)果將是0x5B。

第6步

每個(gè)節(jié)點(diǎn)將主器件所發(fā)送的地址與其自己的地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，節(jié)點(diǎn)便將SDA線拉低一位的時(shí)間，以返回一個(gè)ACK位。如果來(lái)自主器件的地址與節(jié)點(diǎn)自己的地址不匹配，則節(jié)點(diǎn)讓SDA線保持高電平不變。

第7步

得到ACK位之后，主器件接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀。

第8步

傳輸完每個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，主器件再向發(fā)送者返回一個(gè)ACK位，以確認(rèn)成功接收該幀，或者如果讀取請(qǐng)求已經(jīng)完成，則主器件返回NACK。

第9步

若要停止數(shù)據(jù)傳輸，主器件應(yīng)將SCL切換為高電平，然后將SDA切換為高電平，從而發(fā)送停止條件。

單個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)

I²C使用尋址，所以單個(gè)主器件可以控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)。使用7位地址可提供128 (2⁷)個(gè)唯一地址。使用10位地址很罕見(jiàn)，但可提供1024 (2¹⁰)個(gè)唯一地址。要將多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到單個(gè)主器件，請(qǐng)使用4.7 kΩ上拉電阻連接這些節(jié)點(diǎn)，并將SDA和SCL線連接到V_CC。

多個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)

多個(gè)主器件可以連接到單個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果同一系統(tǒng)中有多個(gè)主器件，那么當(dāng)兩個(gè)主器件爭(zhēng)著在同一時(shí)間通過(guò)SDA線發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)主器件在傳輸消息之前，需要檢測(cè)SDA線是低電平還是高電平。

如果SDA線為低電平，則說(shuō)明總線由另一個(gè)主器件控制，該主器件應(yīng)等待。如果SDA線為高電平，則它可以安全傳輸消息。要將多個(gè)主器件連接到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，請(qǐng)按照?qǐng)D13所示，使用4.7 kΩ上拉電阻將SDA和SCL線連接到V_CC。

圖 13. 連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)主器件

仲裁

若干I²C多主器件可以連接到同一I²C總線并同時(shí)運(yùn)行。通過(guò)不斷監(jiān)視SDA和SCL有無(wú)起始和停止條件，它們可以確定總線是否空閑。如果總線正忙，主器件將延遲掛起的I²C傳輸，直至停止條件指示總線再次空閑。

但是，可能發(fā)生兩個(gè)主器件同時(shí)開(kāi)始傳輸?shù)那闆r。在傳輸過(guò)程中，主器件不斷監(jiān)視SDA和SCL。如果其中一個(gè)檢測(cè)到SDA為低電平，而它應(yīng)該為高電平，則該主器件將認(rèn)為另一主器件處于活動(dòng)狀態(tài)，因而立即停止傳輸。此過(guò)程稱為仲裁。兩個(gè)主器件都會(huì)生成起始位并繼續(xù)各自的傳輸。

如果主器件恰好選擇相同的邏輯電平，則什么也不會(huì)發(fā)生。

一旦主器件嘗試施加不同的邏輯電平，則將信號(hào)拉低的主器件將被宣布為獲勝者；失敗者將檢測(cè)到邏輯不匹配，因而放棄傳輸。

請(qǐng)花點(diǎn)時(shí)間理解一下這種安排的簡(jiǎn)單性和有效性：

●    獲勝者繼續(xù)傳輸而不中斷——沒(méi)有數(shù)據(jù)損壞，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)器爭(zhēng)用，不需要重新啟動(dòng)事務(wù)。

●    理論上，失敗者可以在仲裁過(guò)程中監(jiān)視節(jié)點(diǎn)地址，如果恰好是被尋址的節(jié)點(diǎn)，它可以做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

●    如果相互競(jìng)爭(zhēng)的主器件均請(qǐng)求同一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則仲裁過(guò)程不會(huì)不必要地中斷任一事務(wù)——不會(huì)檢測(cè)到不匹配，節(jié)點(diǎn)會(huì)將其數(shù)據(jù)輸出到總線，多個(gè)主器件可以接收到數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘延展

也稱為時(shí)鐘同步。

注意：I²C規(guī)范沒(méi)有為時(shí)鐘延展規(guī)定任何超時(shí)條件——也就是說(shuō)，任何器件都可以根據(jù)需要保持SCL。

在I²C通信協(xié)議中，時(shí)鐘速度和信號(hào)始終由主器件產(chǎn)生。I²C主器件產(chǎn)生的信號(hào)提供主器件和節(jié)點(diǎn)連接之間的同步。

在某些情況下，節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)不是以全狀態(tài)工作，在接收主器件生成的時(shí)鐘之前，需要減慢速度。這是通過(guò)一種稱為"時(shí)鐘延展"的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在時(shí)鐘延展期間，為了降低總線速度，允許節(jié)點(diǎn)壓低時(shí)鐘。而在主器件方面，在其變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，必須回讀時(shí)鐘信號(hào)。然后，它必須等待，直至線路達(dá)到高電平狀態(tài)。

帶寬

雖然時(shí)鐘延展是一種常見(jiàn)做法，但它對(duì)帶寬有影響。使用時(shí)鐘延展時(shí)，共享總線的總帶寬可能會(huì)顯著降低。即使使用這種技術(shù)，總線性能仍然必須可靠且快速。有必要考慮使用時(shí)鐘延展的估計(jì)影響，尤其是在多個(gè)器件共享I²C總線的情況下。

圖 14. 微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)

通過(guò)時(shí)鐘延展，I²C節(jié)點(diǎn)器件可以強(qiáng)制主器件進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)器件需要更多時(shí)間來(lái)管理數(shù)據(jù)時(shí)，例如存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)或準(zhǔn)備發(fā)送另一字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，它可能會(huì)執(zhí)行時(shí)鐘延展。這通常發(fā)生在節(jié)點(diǎn)器件接收并確認(rèn)收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后。

哪些I²C節(jié)點(diǎn)器件需要時(shí)鐘延展？

是否需要時(shí)鐘延展取決于節(jié)點(diǎn)器件的功能。這里有兩個(gè)例子：

●    處理器件（如微處理器或微控制器）可能需要額外的時(shí)間來(lái)處理中斷，接收和管理數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行適當(dāng)?shù)墓δ堋?/p>

●    較簡(jiǎn)單的器件（如EEPROM）不在內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，因此不需要時(shí)鐘延展來(lái)執(zhí)行任何功能。

I²C 數(shù)據(jù)手冊(cè)示例概述

不同公司和制造商采用不同方法來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖13顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)手冊(cè)示例和基本I²C細(xì)節(jié)，包括寄存器和電子規(guī)格。

圖15. 微控制器存儲(chǔ)器映射

表4顯示了最常用的I²C寄存器。名稱和描述可能因數(shù)據(jù)手冊(cè)而異，但功能和用法相同。

表4. I2C寄存器描述

I²C的創(chuàng)建可能因使用情況而異。表5顯示了基本I²C驅(qū)動(dòng)程序API要求的示例。

表5. I²C驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

SMBus

眾所周知，SMBus可用于需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行關(guān)鍵監(jiān)控的應(yīng)用。它最常見(jiàn)的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)主板和嵌入式系統(tǒng)。對(duì)于溫度、電源電壓、風(fēng)扇監(jiān)控和?或控制集成芯片，它有額外的監(jiān)控規(guī)范。

SMBus是一種2線總線，類(lèi)似于飛利浦公司于1980年代開(kāi)發(fā)的I²C總線。兩個(gè)主要信號(hào)是時(shí)鐘(SMBCLK)和數(shù)據(jù)(SMBDAT)。I²C Primer和SMBus相互兼容，但存在明顯差異，例如：

●    SMBus邏輯電平閾值是固定的，與器件的電源電壓不成比例。因此，具有不同電源電壓的器件可以在同一Primer上運(yùn)行。例如，一個(gè)SMBus可能具有多個(gè)由1.8 V、3.3 V和5 V電源供電的器件。

●    它們都以最高100 kHz的相同速度運(yùn)行，但I(xiàn)²C Primer有400 kHz和2 MHz兩個(gè)版本。

●    SMBus規(guī)定了最低時(shí)鐘速度，并限制了時(shí)鐘在一個(gè)事務(wù)中可以延展的量。違反超時(shí)限制會(huì)導(dǎo)致所有SMBus器件復(fù)位其I?O邏輯以允許總線重啟。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了總線的魯棒性。

●    二者的超時(shí)也不同。I²C Primer沒(méi)有超時(shí)，而SMBus有超時(shí)——對(duì)于10 kHz最低時(shí)鐘速度，可以考慮35 ms的超時(shí)。

●    分組差錯(cuò)校驗(yàn)(PEC)最初是為SMBus定義的。在每個(gè)事務(wù)的末尾添加一個(gè)分組錯(cuò)誤碼字節(jié)。

●    其余的一些差異涉及傳輸類(lèi)型、警報(bào)線、暫停線、關(guān)斷或上電。

SMBus器件每次收到其自己的地址時(shí)，無(wú)論在做什么，它都必須應(yīng)答(ACK)，這是一個(gè)明確要求，目的是確保主器件可以準(zhǔn)確地判斷總線上哪些器件處于活動(dòng)狀態(tài)。

所有SMBus事務(wù)都通過(guò)指定的SMBus協(xié)議之一執(zhí)行。

SMBus還有一個(gè)可選信號(hào)SMBALERT#，節(jié)點(diǎn)器件可以使用該信號(hào)快速通知主器件或系統(tǒng)主機(jī)，它有主器件需要的信息，例如報(bào)告故障情況。

圖16. SMBus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SMBus上拉電路

圖17. SMBus上拉電路

SMBus地址

SMBus地址有7個(gè)二進(jìn)制位，通常表示為前4位、后3位以及最后一個(gè)字母b，例如0001 110b。這些地址占據(jù)總線上一個(gè)8位字段的高7位。然而，該字段的最低位另有含義，不屬于SMBus地址的范圍。

圖18. 節(jié)點(diǎn)地址

7位目標(biāo)地址從主器件發(fā)送到總線上的一個(gè)或多個(gè)器件（例如通過(guò)廣播地址）。

請(qǐng)注意，起始條件和停止條件是轉(zhuǎn)換，而不是位，在符號(hào)上方未顯示位計(jì)數(shù)。在事務(wù)圖中顯示時(shí)，重復(fù)起始也是一個(gè)轉(zhuǎn)換，而不是一位，在符號(hào)上方也不顯示位計(jì)數(shù)。

圖19. SMBus消息

SMBus時(shí)序測(cè)量

表6. SMBus參數(shù)

PMBus：重新定義電源管理

除了SMBus之外，還有一個(gè)變體PMBus，它是一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)電源管理協(xié)議。這種靈活且高度通用的標(biāo)準(zhǔn)允許基于模擬和數(shù)字技術(shù)的器件之間進(jìn)行通信，并提供真正的互操作性，由此將能降低電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

PMBus用于帶有電源控制和管理器件的電源的數(shù)字管理。它具有支持電源管理要求的命令和結(jié)構(gòu)。這意味著I²C Primer和PMBus在電氣要求和命令語(yǔ)義上是兼容和可互操作的。

電源管理的基本參數(shù)之一是過(guò)壓電平監(jiān)控，PMBus提供了設(shè)置和讀取該值的命令。PMBus可以附加在I²C Primer和SMBus的已有特性上，充當(dāng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（尤其是SMBus）之上的協(xié)議層。

I²C 規(guī)范僅描述了2線總線的物理層、時(shí)序和流控制。I²C規(guī)范沒(méi)有（像SMBus協(xié)議那樣）描述消息的格式，也沒(méi)有描述消息的內(nèi)容。

PMBus規(guī)范是一個(gè)完整的電源管理協(xié)議。它說(shuō)明了如何將比特和字節(jié)從一個(gè)器件傳送到另一個(gè)器件（即傳輸）。它還描述了一種命令語(yǔ)言，賦予這些比特和字節(jié)以意義。

尋址

對(duì)于冗余系統(tǒng)，一旦電源安裝到系統(tǒng)中，最多有三個(gè)信號(hào)來(lái)設(shè)置電源的地址位置：地址2、地址1和地址0。對(duì)于非冗余系統(tǒng)，電源器件地址位置應(yīng)為B0h。

硬件

針對(duì)基于I²C V_DD的電源和驅(qū)動(dòng)（對(duì)于V_DD = 3.3 V），電源中的器件應(yīng) 與SMBus 2.0高功率規(guī)范兼容。該總線應(yīng)以3.3 V運(yùn)行。

電源

電源內(nèi)部的電路應(yīng)從備用輸出獲得電源。對(duì)于冗余電源，器件應(yīng)從"邏輯或"器件的系統(tǒng)側(cè)供電。只要系統(tǒng)中的電源或并聯(lián)冗余電源接通交流電源，PMBus器件就應(yīng)處于開(kāi)啟狀態(tài)。

上拉電阻

電源內(nèi)部的SCL或SDA線上只能使用弱上拉電阻。主要上拉電阻由系統(tǒng)提供，可以連接到3.3 V或5 V。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要上拉電阻應(yīng)位于電源外部，并從備用電源軌獲取電源。

數(shù)據(jù)速度

電源中的PMBus器件應(yīng)以100 kbps SMBus全速運(yùn)行，并盡可能避免使用時(shí)鐘延展，因?yàn)樗鼤?huì)減慢總線速度。

總結(jié)

表8概述并總結(jié)了I²C Primer、SMBus（高功率和低功率）、PMBus的信號(hào)、時(shí)序和電氣規(guī)格。

I²C Primer、SMBus和PMBus有何關(guān)系？

SMBus最初開(kāi)發(fā)用于協(xié)助電池管理系統(tǒng)，使用I²C硬件，但增加了第二級(jí)軟件，最終允許器件熱插拔，而無(wú)需重新啟動(dòng)系統(tǒng)。PMBus擴(kuò)展了SMBus，定義了一組專(zhuān)門(mén)用于管理功率轉(zhuǎn)換器的器件命令，暴露了器件的測(cè)量電壓、電流、溫度等屬性。一般而言，I²C Primer、SMBus和PMBus器件可以共享總線而不會(huì)發(fā)生什么大問(wèn)題。

I²C、SMB、PMB的優(yōu)勢(shì)

●    僅使用兩條線

●    具有ACK?NACK位

●    廣為人知的協(xié)議

●    支持多個(gè)主器件和多個(gè)節(jié)點(diǎn)

●    硬件不如UART復(fù)雜

●    廣泛使用的方法

缺點(diǎn)

●    數(shù)據(jù)傳輸速率比SPI慢

●    數(shù)據(jù)幀的大小限制為8位

●    實(shí)現(xiàn)所需的硬件比SPI復(fù)雜

圖20. SMBus時(shí)序測(cè)量

表7. PMBus尋址

用例

●    傳感器讀取

●    傳感器寫(xiě)入

●    EEPROM、溫度傳感器、觸摸屏、接近傳感器

●    傳輸和控制用戶指引的操作

●    與多個(gè)微控制器通信

●    消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備

●    系統(tǒng)管理

●    電源管理

●    調(diào)試

表8. I²C Primer、SMBus和PMBus規(guī)格總結(jié)

參考電路

“I²C通信的優(yōu)勢(shì)和局限” 。Total Phase，2016年8月。

Afzal, Sal。 “I²C Primer：什么是I²C？（第一部分）” 。ADI公司。

Afzal, Sal。 “I²C時(shí)序：定義和規(guī)范指南（第2部分）” 。ADI公司。

Campbell, Scott。 “I²C通信協(xié)議基礎(chǔ)” 。Circuit Basics。

“I²C快速指南“。ADI公司。

“I²C是什么？” I²C 總線。

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