I2C 簡介

I2C Bus是由菲力浦公司(Philips Semiconductors)在80年代時就開發出來的技術，最原始的目的為提供TV-set電路一個簡單的方式來連接CPU與週邊晶片。

     在嵌入式系統中，MCU通常以Memory-Map I/O的方式來定址週邊裝置，並使用微控制器的並列位址線與資料線來做連接。這種方式造成了PCB電路板中有大量的位址線與資料線，更別說要接上一些位址解碼器與附加的邏輯電路了。這對於當時大量生產的TV-set、VCR與音效配件來說，是沒辦法接受的。而若使用I2C Bus來做連接，則能省下大量的元件，這意味著製造商能有效的增加其產品收益性，且產品的價格也更能被消費者所接受。

     I2C bus為Inter-IC bus之縮寫，如同字面上所表達的意思，其功用為提供IC之間的連接與通訊之用。而I2C Bus之所以能克服上述問題，其原因在於I2C Bus只有兩條線，即序列資料線(SDA)與時脈訊號(SCL)。其中SDA為Serial Data line，SCL為Serial Clock line，兩條線皆可做雙向傳輸。其連接示意圖如圖一所示。

 
圖一、I2C Bus連接示意圖

I2C 序列介面通訊協定

     如圖一所示，I2C介面是由資料線(SDATA)及時脈訊號(SCLK)所組成的序列介面，每一個接到序列介面的IC都有自己唯一的位址，透過啟動、位址或資料傳輸、回應及結束四種主要的模式進行資料的溝通，如圖二所示。

 
圖二、I2C 訊號範例(資料寫入)

啟動 (Start)

     當主控單元要對一個序列介面上的IC進行資料傳輸(資料的存/取)時，首先必須下達一個啟動介面的指令。啟動指令的下達由兩個步驟來完成：第一，將SDATA訊號設為低準位電壓(Low)，第二，在SDATA訊號設為low之後，將SCLK設為低電壓。所有接在序列介面上的IC，在接受到啟動指令，皆會開啟準備收接資料的動作。另一個說法即是在SCLK為高準位電壓(High)的時候，使SDATA訊號產生一個由高準位電壓(High)變為低準位電壓(Logw)的轉換。

位址、資料傳輸

     在啟動指令下達後，主控單元可以傳輸一筆8-bit的資料到序列介面上(I2C傳輸規範中，每一筆資料封包由8-bit組成)，第一筆8-bit資料一定是位址資料，以圖二為例，主控單元傳輸0xBA的資料到序列介面上，由於每個IC都有唯一的位址，因此，只有位址為0xBA的IC會接著產生應對訊號，繼續處理後續的動作。在I2C的通訊規範中，每個接於序列介面上的IC都有自己的一個代表自己的ID，這個ID的長度為7-bit且是獨一無二的，在7-bit之後會緊接著一個bit，用來指定該動作是寫入資料(1’b1)或讀取資料(1’b0)，以0xBA(7’b1011_1010)為例，7’b1011101為受控IC的ID，而最後一個bit為0，所以0xBA所指的意圖為，對ID為7’b1011101的IC進行資料寫入的動作。反之若是0xBB，則是對該IC進行資料讀取的動作。

回應(ACK)

     回應訊號由授控的IC發出，當主控單元傳輸8-bit資料後，接下的一個SCLK週期會立即檢查SDATA上面的資料訊號，若為低電壓則代表正常動作完成，反之相動作有問題，因此，受控單元在接收8-bit資料無誤後，應立即將SDATA訊號設為低電壓，反之則將SDATA設為高電壓，此時主控單元將視情況，中止或重新資料傳輸。當進行資料讀取動作時，主控端送出高電壓(NACK)是要告知授控端終止資料輸出的動作。

結束(STOP)

     在所有動作完成後，主控單元必須下達一個結速的指令，來關閉序列介面的使用。結速指令的下達由兩個步驟來完成：第一，將SCLK設為高電壓(High)，第二，在SCLK為高電壓時，將SDATA設為高電壓(High)。另一個說法即是在SCLK為高準位電壓時，使SDATA訊號產生電低準位電壓(Low)變成高準位電壓(High)的轉換。

I2C序列介面寫入/讀取範例

     I2C Bus為一種多主匯流排(Multi-Master Bus)，意思是指在同一匯流排中的IC，只要有能力傳送資料至匯流排中，都可以當匯流排的主控端(bus master)。根據I2C Bus協定的標準規格指出，啟始匯流排中資料傳輸的IC即為主控端，而同時間的其它IC則為受控端(bus slave)。主控端對受控端的行為可分為兩類：資料寫入及資料讀取。

資料寫入範例

     圖二為一個主控單元對序列介面上的IC(位址7’b1011101)進行資料寫入(1’b0)暫存器(0x09)的範例。主要動作如下：

• <1> 主控單元下達啟動指令
• <2> 主控單元傳輸0xBA 8-bit (8’b1011_1010)資料到序列介面上
• <3> 授控單元回應正確接收訊號
• <4> 主控單元傳輸0x09，指定暫存器
• <5> 授控單元回應正確接收訊號
• <6> 主控單元傳輸第一筆寫入暫存器的資料0x02
• <7> 授控單元回應正確接收訊號
• <8> 主控單元傳輸第二筆寫入暫存器的資料0x84
• <9> 授控單元回應正確接收訊號
• <10> 主控單元結束序列介面的使用

 
圖三、I2C 訊號範例(資料讀取)

資料讀出範例

     圖三為一個主控單元對序列介面上的IC(位址7’b1011101)進行資料讀取(1’b1)暫存器(0x09)的範例。主要動作如下：

• <1> 主控單元下達啟動指令
• <2> 主控單元傳輸0xBA 8-bit (8’b1011_1010)資料到序列介面上
• <3> 授控單元回應正確接收訊號
• <4> 主控單元傳輸0x09，指定暫存器
• <5> 授控單元回應正確接收訊號
• <6> 主控單元傳輸0xBB 8-bit (8’b1011_1011)資料到序列介面上
• <7> 授控單元回應正確接收訊號
• <8> 授控單元輸出第一筆8-bit的資料(0x02)
• <9> 主控單接收到資料，並回應正確接收訊號
• <10> 授控單元輸出第二筆8-bit的資料(0x84)
• <11> 主控單接收到資料，並回應NACK訊號
• <12> 主控單元結束序列介面的使用

關於I2C序列介面的控制實作範例，可參考本網站後續介紹之影像感知器控制實作 (PS.本網站介紹中，所使用之影像感知器的控制介面為I2C序列介面)。