本文是對NXP I2C-bus specification and user manual/UM10204/Rev. 6 — 4 April 2014的英文翻譯。
目錄
1引言
2 I2C總線特性
2.1 設計者的好處
2.2 制造商的好處
2.3 IC設計者的好處
3 I2C總線協議
3.1 標准模式，快速模式和快速加模式I2C總線協議
3.1.1 SDA和SCL信號
3.1.2 SDA和SCL邏輯等級
3.1.3 數據有效性
3.1.4 START和STOP條件
3.1.5 字節模式
3.1.6 ACK和NACK
3.1.7 時鍾同步
3.1.8 仲裁
3.1.9 時鍾拉伸
3.1.10 slave地址和R/W位
3.1.11 10位尋址
3.1.12 保留地址
3.1.13 廣播尋址
3.1.14 軟件復位
3.1.15 START字節
3.1.16 總線清除
3.1.17 設備ID
3.2 超速模式I2C總線協議
3.2.1 USDA和USCL信號
3.2.2 USDA和USCL邏輯等級
3.2.3 數據有效性
3.2.4 START和STOP條件
3.2.5 字節格式
3.2.6 ACK和NACK
3.2.7 slave地址和R/W位
3.2.8 10位地址
3.2.9 UFm中的保留地址
3.2.10 廣播尋址
3.2.11 軟件復位
3.2.12 START字節
3.2.13 無響應slave復位
3.2.14 設備ID
4 I2C總線通信協議的其他使用
4.1 CBUS兼容性
4.2 SMBUS-系統管理總線
4.2.1 I2C/SMBUS適應性
4.2.2 超時特性
4.2.3 SMBus 1.0和SMBus 2.0的不同
4.3 PMBus-電源控制總線
4.4智能平台管理接口-IPMI
4.5 高級電信計算架構
4.6 顯示數據通道(DDC)
5 總線速度
5.1 快速模式
5.2 快速模式加
5.3 高速模式
5.3.1 高速傳輸
5.3.2 高速模式的串行數據格式
5.3.3 從快速模式到高速模式並返回
5.3.4 在較低速度模式下的高速模式設備
5.3.5 串行總線系統的混合速度模式
5.3.6 在混合速度總線系統中的標准，快速，快速加模式傳輸
5.3.7 在混合速度總線系統中的高速傳輸
5.3.8 在混合速度總線系統中的時序要求
5.4 超速模式
6 I/O階段和總線電氣規格和時序
6.1 標准，快速和快速加設備
6.2 高速設備
6.3 超速模式設備
7 i2c總線設備到總線線路的電氣連接
7.1 上拉電阻大小
7.2 運行在最大允許總線電容
7.2.1 減少fscl
7.2.2 更高的驅動輸出
7.2.3 總線緩沖器，多路復用器和開關
7.2.4 切換上拉電路
7.3 串行保護電阻
7.4 輸入泄露
7.5 總線線路的接線模式
8 縮寫詞
9 法律信息
9.1 定義
9.2 免責聲明
9.3 商標
10 目錄
UM10204
I2C總線技術規范和用戶手冊
Rev.6-2014年4月4號
文件信息
| 信息 | 內容 |
|---|---|
| 關鍵詞 | I2C, I2C總線，標准模式，快速模式，快速模式加，Fm+，超速模式，UFm，高速，Hs，Inter-IC，SDA，SCL，USDA，USCL |
| 摘要 | 飛利浦半導體(現在的恩智浦半導體)開發了一種簡單的雙向2線總線，用於有效的ic間控制。這個總線被稱為I2c總線。只需要兩條總線線路：一個串行數據線路SDA和一個串行時鍾線路SCL。串行，8位定向，雙向數據傳輸可以在標准模式下達到100kbit/s，快速模式下最高可達400kbit/s, 快速模式加 (Fm+)最高可達1Mbit/s, 高速模式下最高可達3.4Mbit/s。超速模式是一種單向模式，可傳輸高達5Mbit/s的數據。 |
1 引言
I2C總線事實上是一個已經在超過50家公司的1000多種產品應用過世界級標准。此外，I2C總線使用在多種控制架構，例如系統管理總線(SMBus)，電源管理總線(PMBus)，智能平台管理接口(IPMI)，顯示數據通道(DDC)和高級電信計算架構(ATCA)。
本文檔幫助設備和系統設計者理解I2C總線如何工作和實現一個工作應用程序。說明多種操作模式。它包含一個I2C總線數據傳輸，握手和總線仲裁方案全面的介紹。詳細的部分涵蓋I2C總線的每一個中操作模式的時序和電氣規格。
I2C兼容芯片的設計者應該使用這個文件作為參考，確保所有的設備滿足這個文件中所有的限制。包含I2C器件的系統設計者應該審閱這個文件，參考單個元件數據表。
2 I2C總線特性
在消費電子，電信和工業電子，在看似不相關的設計之間有許多相似之處。例如，幾乎每一個系統都包括：
1.一些智能控制，通常是單片機
2.通用電路像LCD和LED驅動，遠程I/O端口，RAM，EEPROM，實時時鍾或A/D和D/A轉換器
3.面向應用的電路，如無線電和視頻系統的數字調諧和信號處理電路、溫度傳感器和智能卡。
為了利用這些相似之處，系統設計者和設備制造者得到好處，還有最大效率利用硬件效率和電路簡化，飛利浦半導體(現在是恩智浦半導體)開發了一種簡單的雙向2線總線實現高效IC間控制。這樣的總線被稱為I2C總線。所有的I2C總線兼容設備包含一個片上接口，這個接口允許這些設備之間通過I2C總線直接通信。當設計數字控制電路時，這種設計理念解決了遇到的許多接口問題。
下面是I2C總線的一些特性：
1.要求兩條總線線路；一個是串行數據總線SDA和一個串行時鍾線SCL
2.連接到每一個總線上的設備是通過一個獨特的地址實現軟件尋址的，簡單的master/slave關系一直存在；master可以作為master 傳送器和master接收器運行。
3.如果兩個或多個master同時發起數據傳輸，那么這是一個包括沖突檢測和仲裁多master總線，從而防止數據破壞。
4.串行，8位定向，雙向數據傳輸在標准模式下可以達到100kbit/s，在快速模式下可以達到400Kbit/s， 在快速模式加模式下可以達到1Mbit/s，在高速模式下可以達到3.4Mbit/s。
5.在超速模式下，串行，8bit定向，單向數據傳輸可以達到5Mbit/s。
6.片上濾波抑制總線數據線上的峰值，以保持數據完整性。
7.連接到相同IC總線上的數量只由最大的總線電容限制。在某些條件下，可以允許更大的電容。參考7.2。
圖1展示了I2C總線應用的例子。
2.1 設計者得益
兼容I2C總線的集成電路允許系統設計從功能框圖直接到原型快速處理。此外，由於它們直接“夾”在i2c總線無需任何額外的外部接口，它們允許通過簡單地將集成電路“剪斷”或“拆斷”到總線上或從總線上修改或升級原型系統。
下面是一些特別吸引設計者的I2C總線兼容集成電路的特性：
1.在框圖中的功能塊與實際的I2C總線相對應；設計從框圖到最終方案的快速處理；
2.不需要設計總線接口，因為I2C總線接口已經被集成在芯片上；
3.集成的尋址和數據傳輸協議允許系統完全軟件定義；
4.相同的I2C類型嘗嘗被使用在許多不同的應用中；
5.因為設計者快速熟悉頻繁使用的I2C總線兼容的集成電路功能模塊導致設計時間縮短；
6.集成電路可以從系統被增加或移除，且不影響總線上的任何其他電路；
7.錯誤診斷和調試是簡單的，故障可以被立即追蹤；
8.通過組裝可重用關鍵模塊庫可以使軟件開發時間縮短。
除了以上這些優勢，在I2C總線兼容范圍內的CMOS集成電路給設計者提供特殊的功能，這些功能對便攜設備和電池支持系統特別有吸引力。
它們都有：
1.極低電流消耗
2.高抗煩擾能力
3.廣泛的電源電壓范圍
4.廣泛的操作溫度范圍
2.2 制造商得益
I2C總線兼容集成電路不僅僅能幫助設計者，也可以給設備制造者很多的好處，因為：
1.簡單2線串行I2C總線使互聯最小化，因此集成電路有更少的pin腳，沒有那么多的PCB軌道；結果更小和更少的PCB消耗；
2.完全集成的I2C總線協議消除了地址解碼器和其他粘結邏輯的需要；
3.I2C總線多master的功能允許通過外部連接到一個組合的線進行快速測試和最終用戶設備的校准；
4.各種無鉛封裝中i2c總線兼容ic的可用性甚至更減少了空間需求。
這些只是一些好處。另外，I2C總線兼容集成電路增加了系統的靈活性，這些通過允許簡單的設備變化的構造和容易升級從而保持設計更新的方法實現的。通過這種方式，可以通過一個基本模型開發一個完全的設備。對新設備或增強特性模型(也就是擴展內存，遠程控制等)升級可以通過剪輯適當的集成電路到總線上。如果需要一個更大的ROM，這僅僅是一個從全面范圍內選擇一個具有更大ROM的微控制器。隨着新集成電路取代了舊的集成電路，只要簡單地將過時的集成電路從總線上拆下並在其繼任者上拆下，就可以很容易地為設備添加新功能或提高其性能。
2.3 IC設計者得益
微控制器的設計者經常面臨保持輸出引腳的壓力。I2C協議允許連接各種外設，而不需要尋址或芯片使能信號。另外，一個包含I2C接口的微控制器在市場中更容易獲得成功，因為現在市場上存在着很多的可用的外圍設備。