5.7.1 ARM微控制器外设：I2C通讯简介在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC课堂

那么在这个单元里呢

我们继续进行微控制器的外设学习

特别是关于通讯的这一类外设

我们前面有很多个单元都已经涉及到了

各种各样的通讯

大家一定记得我们在学的第二类外设

就是UART的异步串行通讯

那是一个共着地线之外

用两根数据线

你收我发 你发我收的一种

不共享时钟的异步串行通讯

那么在那个里头大家可能印象最深的

是关于UART那样一个数据帧的格式

那么在前两个单元呢

我们又学习了SPI这样一种同步的串行通讯

那么SPI同步串行通讯一个特点

就是除了主机和从机之间

彼此收发的数据线之外

还有一个大家的共用的一个时钟线

由主机发给从设备

因为有了共用的时钟

它是一个同步的串行通讯

那么与之一脉相承的呢

我们在今天还会再学习一类新的

同步串行通讯

那也就是I2C通讯

那么我们在这个单元的内容彻底学完以后

我会带着大家再来回顾

可能那个时候大家领会的会更深

我先给大家建立一种概念和印象

就是从异步的UART

到SPI 到我们现在学的I2C

其实单就通讯这个话题

我们也在逐步的深入

我们从一个简单的不共享时钟的数据帧

到彼此之间共享时钟信号

有主从 有总线的初步概念的SPI

再到有严格的电气定义

乃至通讯协议层Protocol定义的

这样一种总线 I Square C

那么我们在后面的学习会发现

I Square C 或者叫I2C

是一类非常典型的串行通讯

那么我们在这门课的范畴里

不会有时间再给大家去讲USB和以太网

但顺着这个脉络如果大家学好了I2C的通讯

会发现USB通讯还有未来要学习以太网通讯

都是沿着这条脉络的一个自然延伸

包括当中的握手 数据帧这样一些环节

都会帮助大家以后非常方便的去进行理解

那么讲了这么多

究竟什么是I2C通讯呢

首先看一看它的定义和名字

大家会注意到我把它称为I2C

那么写成中文的时候

或者写成书面的时候大家写的是I2C

那么大家记住把它念成I2C

或者英文的 I Square C

它是Inter-IC Bus的缩写

那么也就是IC的芯片当中

集成电路当中

互通互联总线的这样一种意思

所以从定义上来讲顾名思义

它是一种面向两线制的

串行的双向的同步通讯的接口

那么它有专用的logo

就是这张图看着很简单黑白两色

那么我们一般典型的

I Square C或者I2C的通讯连起来呢

就像这张电路图所示

除了大家共的地以外

从主机上拉出两根线

一根是时钟

一根是双向的数据线

那么上面大家看着我们都画了两个电阻

待会再讨论这件事

可以有一个或者多个设备

通过这个时钟线和数据线与主机相连

这就是I Square C I2C的通讯的基本的感觉

那么在详细的讲它的这些线的含义

和电气的定义之前

我们必须先知道它的渊源

那么这样一种总线 I2C的总线

其实诞生不是一天两天

它诞生于1982年

所以到今年已经有30多年的历史

那么从最早的速度不超过100K赫兹

不断的在各个版本的发布当中

维持了最基本的兼容性

而它所接受的速度 性能这些东西

都在不断的进行一些微调和改善

那么要讲一个有点八卦的历史渊源呢

就是我们在上几个单元学的

SPI的同步串行通讯

主要是由摩托罗拉公司提出的

而我们都知道摩托罗拉公司的半导体部

spin-out出来成为日后的飞思卡尔

而我们现在学习的I2C通讯呢

主要由飞利浦公司在1980年代提出

而它的半导体部日后spin-out出来

成为了恩智浦也就是NXP

那么在不久以前NXP又跟Freescale

进行了并购 合并成了一家公司

所以曾经激烈竞争的这两种

同步串行通讯标准

最后它们的母公司合为了一体

所以这个半导体企业

就是这样分分合合的进行发展

那么抛开这个历史的渊源

我们在深入学习之前先给大家一个概念

I2C通讯是一个怎样的通讯

首先它是串行的

它只有有限根线

所以我们的数据 我们的时钟

都是一个Clock 一个Clock进行跳变

然后它是同步的

从主机到一个或者多个从设备

它有一根时钟线是大家共享的

大家在一个时钟节拍下去看这些数据

然后无论在时钟和数据线上

这个信号是单端的

也就是用5伏或者3.3伏来代表逻辑一

然后这样一种通讯它是双向的

也就是说刚才提到我们有一根是时钟线

在时钟驱使下的另外一根数据线

既可以由主机向设备的方向传输数据

也可以交由设备驱动

由设备向主机发送数据

这个时候它是双向的通讯

那么大家注意这一点

它与我们之前学过的SPI有显著的区别

大家回忆一下

SPI它有两根数据线

一个是MOSI 一个是MISO

每根线其实方向是定死了的

由主到从 由从到主

在I2C的通讯里头

这一根数据线可能会承载双向的数据

也就是分别由主机或者设备来驱动

那么就意味着它一定会有一些协议

来协商什么时候该谁说话 对吧

这是大家可以想到的

另外也意味着它不是双工的

它不可能双方同时发数据

所以它是双向但非双工

此外呢

从我们刚才讲的这些理所当然的概念时候

已经大家感觉到了

它是一个有Master有Slave的一个主从协议关系

同时因为它是一个主对一个从

或者一个主对多个从

所以从它的名字已经定义了

从当年设计总线的时候

它就是一种BUS

总线概念的一种通讯协议

所以就跟SPI一个主设备接多个从设备一样

但是大家注意SPI

一个主设备接多个从设备的时候

它需要多个片选信号

来分别选中不同的设备

而大家从这张图上能看出来

I2C接多个从设备的时候

它始终除掉地线

只有时钟和数据这两根线

意味着它对从设备的选择

包括刚才讲到的对数据方向的控制

都是在通讯的本身里完成的

这就是我刚才隐隐约约提到的

它开始引入了完善的数据帧

或者叫Protocol数据协议的概念

在后面我们会一点一点的学习

那么有了基本的概念

我们必须要花一点点的时间

真正去理解I2C这样一种通讯的形式

和通讯的特点背后的电气特性

这是为什么这种总线能够以这种方式通讯

乃至后面我们要讲的通讯协议

为什么是这样的一个关键的基础知识

那么I2C最最重要的一个特点

就是它的主机和从设备

所使用的这两根信号引脚

也就是SDA

Serial data串行数据引脚和SCL串行时钟引脚

都不是我们之前所学过的普通IO

我们之前所学过的普通IO

我们从电子学的角度来讲

一般是推挽输出

也就是通过对电源对地的两个晶体管的开关

它可以输出一个逻辑一的高电平

无论是3.3伏还是5伏

或者输出一个逻辑0的低电平0伏 对吧

那么在我们的I2C的这样的引脚里头

它们更多的时候采用的是我们称为

开漏输出或者是开集电极输出

那么它们对应的英文

分别是对应场效应管里的

Open Drain的这个OD输出

或者是对于晶体管的Open Collector

也就是OC的输出

那么这几个术语大家可能很难理解

在这门课的范畴里

我们抛开晶体管的细节的知识

定性的通过这两张图来加以理解

我们输出的极在内部的电路里

产生了0或者1的这种逻辑关系以后

那么我们控制这样一个

最后输出的

场效应管或者晶体管大家记得

在最开始我给大家讲过

在数字电路范畴我们把它都理解为开关

所以当它要输出逻辑0低电平的时候

这个开关导通

使这个引脚对外表现出来是接了地

强制为低电平接地导通

而当它要输出逻辑1的时候

它的方式是控制这个晶体管截止

也就是这个引脚对内的这个回路

对地是高阻的

于是这个回路的阻抗变得很大

那么在这样一种模式下面这个引脚拉出来

如果外面有一个上拉电阻

就意味着当片内的这个引脚

这个开与漏或者是开集电极的引脚导通

输出逻辑0的时候

由于这个开关的闭合

使这个引脚上面看到的电压是0伏

而我们希望输出逻辑1伏的时候

我们看到的逻辑1

并不是由于这个引脚输出了一个高电平电压

而是因为这个引脚

使自己的内阻变成了一个高阻抗

也就是内部的开关是断开的

于是这个引脚通过上拉的电阻跟电源相连

使这个电阻上面的电流非常小的情况下

我们读到引脚的电位是个高电压

这个高电压是取自于外部的上拉电阻

我不知道这样讲大家明白了没有

那么翻到下一页

我来给大家举一个更形象的例子

也就是在我们看到的I2C通讯的总线里头

无论主机还是从设备

各自都伸出了两个引脚

分别挂在了SDA和SCL这样一根通讯线上

那么在这根线上所有的信号是可以线与的

大家想想为什么

什么叫线与或者叫逻辑与的关系

那么我们把能够线与这件事情

我们翻译一下

就是在这样一根信号线上

它通过两个上拉电阻进行上拉

如果主设备和从设备

所有接到同一根信号线上的引脚

此时都想输出逻辑1

也就是它们那个开漏

或者开集电极的片内的开关那个晶体管

都是截止

于是它们每一个接到这根线上的引脚

都是高阻的状态

那么换言之这根线上对地是高阻的

所以我们线上的电平

就通过上拉电阻维持在了高电平

而如果主机或者从设备当中

有任何一个设备希望输出逻辑0

那么它们就会使自己这个引脚片内的

那个晶体管导通

那么于是这根线上

就会通过其中这一个芯片的这一个引脚

对地导通

于是就使电压被拉下来变成0电平

那么这件事情用两句话来翻译

第一句话就是

有点像我们大家在坐电车或者在玩游戏

有一根线被一个电阻拉在了天上

然后很多人都轻轻的扶住这根线

那么大家都不使劲往下拽的时候

这根线就维持高电平

而如果主机和从设备当中

有任何一个对应的引脚

想把这根线上的电压

或者我们形象讲这根线给拉下来

它输出逻辑0一导通这根线上的电压

就被拉下来变成逻辑0

所以这就是I2C总线上

主设备与从设备连在一起的

这些引脚之间的一种逻辑关系

那么这样一种逻辑关系再翻译过来

就是刚才我说的线与这句话大家想一想

只有大家都希望它是1的时候

线上的电压才是逻辑1

任何一个设备不管是主还是从

希望把它往下拉成逻辑0的时候

这根线上的电压

就会因为它的晶体管导通拉下来变成逻辑0

所以大家都是1它才是1

任何一个希望它是0它就是逻辑0

这是不是与的关系呢

所以大家记住这么一个概念

就是形象上来讲I2C总线通讯的信号是很多人

很多芯片拽住一根线

大家都不拉它就是逻辑1

任何一个都可以把它拉下来变成逻辑0

从逻辑上来讲就是线与的关系

所以这是我们I2C通讯当中的

一个理解上的难点

因为这一类引脚

与我们之前学过的IO是不一样的

大家记住它是开漏或者开集电极输出

内部结构就是一个对地的导通开关

为零就是导通拉到地

不为零就是截止高阻

然后大家串在一起

那么理解了这样一件事

我们就会慢慢的理解后面I2C

很多通讯协议方面的事情

比如现在我们有一个最基本的概念

就是I2C的引脚线

其实内部的引脚无论主从

都只能控制它导通对地或者高阻

或者它一定要有一个上拉电阻

来提供它的基础电平

而当大家都不通讯

都是高阻的时候

这根信号线的平时的默认状态

一定是逻辑1的

那么最后要给大家说的一件事情

逻辑1有指定这个电压是多少吗

其实是没有的

所以取决于我们的主机

或者我们通讯的从设备

对什么样的电压兼容

我们可以选择这个上拉电阻

是接到5伏还是接到3.3伏

恰好这一件事情变得兼容性很好

很灵活

那么回过头来我们看看

I2C有了这样一些特点

后面我们会讲它的协议

它有什么优点呢

大家想一想会发现

它是我们学过通讯协议里头

能够一个设备接多个设备

这样一种总线里头

要的信号线好像是最少的

只要两根线对不对

那么一根数据线

一根时钟线

这个数据还是双向的

第二个呢

我们说它的协议简单

有同学会打个问号

说曾老师你不是说它比这个

UART和SPI都要麻烦吗

那是大家学习以后你们看一看麻烦

另外看看它跟USB跟以太网这些比

它其实还是简单的

另外就是它的协议相对是比较容易实现的

那么我们的微控制器

往往有这个I2C的通讯模块

如果没有

我们用的微控制器

我们用的FPGA其实很多时候

可以把普通的IO引脚配置成开漏

或者开集电极的输出

而不是工作在那种推挽的IO模式

那么我们可以通过对IO的编程

模拟出这样的通讯协议和总线

其实它是非常容易实现的

然后支持它的器件非常多

它虽然是飞利浦提出的

恩智浦这个继承的总线协议

那么实际上我们会跟选SPI的时候一样

我们会发现恩智浦、德州仪器 TI

ST、美信 Maxim很多很多厂商的

大量丰富的测量器件

ADC各种各样的外设都有I2C的接口

然后还有一个好处就是它是一种Bus

一种总线的协议

非常简单的仍然只是这两根线加上地

就是三根线就能在一个接口上

挂接多个设备

方便大家设计一个复杂的电路

扩充你的功能

然后刚才我们也讲过

它可以是5伏 可以是3.3伏

它的速率可以从100K到几兆BPS

然后如果我们愿意牺牲速度

它的通讯距离也可以从几米延长到十几米

所以应该说I2C在我们学过的通讯里

特别是在接多个通讯的时候

往往可能用的比UART

用的SPI还要多

特别是在比如曾老师的领域

这个高能物理实验里头

我们的慢控制大量的这个传感器

大量的这种芯片配置会使用I2C的方式

因为只需要一个接口

就能把一块板上多个设备串起来

全部引入控制

通过以后要讲到的地址来逐一进行读写

那么在这里

我们来建立对于I2C电气层的

最后一点点概念

就是它的这个电平和信号的基本规范

那么对于它的电平和信号的基本规范呢

大家跟SPI回忆一下

就会发现I2C要规范的多得多

我们在学习SPI的时候

说它最大的优点是灵活

最大的缺点也是灵活

因为SPI大家记得有两种相位

两种时钟极性

还有两种这个字节字位序

排列组合以后

拿到一个芯片能不能接到SPI的时候

我们要先看芯片手册

大家还记得那个液晶屏 对吧

然后看看时钟的范围 相位的极性

再来正确的配置

否则彼此都是SPI还通讯不上

I2C作为一个比较完善的

有Protocol 有协议的这样一种通讯协议

它在电气层已经做了比较严格的规范

严格的规范当中有这么几点

第一在I2C的通讯协议里规定了

I2C的时钟永远是电平有效的

大家理解这句话

我们在SPI里经常是在

上升沿和下降沿的时候

去采集 拾数据线的数据

或者让数据线的数据发生变化

那么I2C跟它不一样并且定义死了

它是以电平有效

也就是总是在时钟信号

为高电平或者低电平的这个时间段里

发生变化 发生作用

这是第一句话

第二呢 规定了I2C的标准通讯

总是数据线的数据

应该在时钟信号为低电平的时候发生切换

就是一个比特一个比特切换的时候

必须在时钟信号为低电平的时候发生切换

而应该在时钟信号

为高电平的那个时间段里保持不变

便于主机和从机来确认数据的值是多少

所以表现出图就是这张图

总在低电平切换总在高电平不变

那么小概率的情况下

可以在时钟信号为高电平的时候

发生数据线的变化

什么时候呢

大家回忆UART

跟这个异步串行通讯UART有点像

如果在时钟线为高电平的时候

数据线从默认状态

大家谁都没往下拉的高电平

发生了一次由高向低的跳变

那么意味着这是一个Start起始信号

我们称为起始位

那么意味着一笔通讯要发起了

那么如果在时钟线为高电平的时候

发生一次数据线

由低电平向高电平的跳变

那么意味着这是一个stop位

一个停止信号

表示一次完整的通讯结束了

所以如我们前面所说

数据总是得在

时钟信号为低电平的时候发生跳变

为高电平的时候保持不变

仅当开始和停止位的时候

在时钟信号为高电平的时候发生跳变

那么这样一种电气的定义

就把我们I2C通讯的这个

电平标准 时序关系全都定义死了

它比SPI要严格和规范的多

那么我们有这么多个设备

可以跟一个主机

接在了一个I2C的通讯总线里

我们从电气层讲清楚了它们的引脚

是开漏或者开集电极的

也就是形象的比喻

是大家一起拽着一根绳

谁使劲 任何一个人使劲

都可以把它拽下来这样一种关系

然后我们理解了

这个两根线时钟线和数据线之间的

电平和时序逻辑

在下个单元

我给大家详细的讲这样一种

I2C完成一笔完整通讯的

数据帧或者叫通讯协议

Protocol的实际的内容

那么在那个里头会给大家建立

I2C是一种或者是我们学习过的

第一种带有地址的通讯协议

那么在下一个单元

我们再来仔细的学习