歷史悠久的I2C總線

zsok 2016-04-13

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今天，我們來重溫一下歷史悠久的I2C總線。

I2C（Inter－Integrated Circuit，內(nèi)部集成電路總線）是由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。它是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。

第一代具有I2C總線功能的集成電路出現(xiàn)于30多年前，1982年由飛利浦半導(dǎo)體公司（Philips Semiconductor）開發(fā)，它是簡單的串行總線，用于控制電視機(jī)內(nèi)的各種芯片。

雖然I2C歷史悠久，但現(xiàn)在它仍在不斷改進(jìn)中，出現(xiàn)了很多改進(jìn)之處，例如，使用差分信號以改進(jìn)抗噪聲能力，改進(jìn)總線仲裁以便更容易將總線連接在一起。

I2C總線版本演進(jìn)

I2C總線代表了全行業(yè)的規(guī)范，共經(jīng)歷了4個版本。最新版本于2012年推出，總線的運(yùn)行速度已經(jīng)由原來的100kHz升至5MHz。

我們先對I2C總線的歷史作一個簡短回顧。1.0版本的規(guī)范發(fā)布于1992年，運(yùn)行速度可達(dá)400KHz。1998年的2.0版本增加了一個高速模式和若干節(jié)能選項。2007年的主要規(guī)范將運(yùn)行速度升至1MHz（快速模式Plus或Fm+）。2012年最近的一次版本升級引入了一個單向5MHz的可選項，稱之為超快速模式（UFm）。

I2C總線發(fā)生了許多變化。有一些名稱的更改是出于對飛利浦半導(dǎo)體公司在總線某些關(guān)鍵技術(shù)上的專利權(quán)保護(hù)。原專利已于2004年過期，所有商標(biāo)和知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到NXP半導(dǎo)體公司（2006年從飛利浦公司分拆出來）。I2C總線是ACCESS.總線、VESA顯示數(shù)據(jù)信道（DDC）接口、系統(tǒng)管理總線（SMBus）、電源管理總線（PMBus）和智能平臺管理總線（智能平臺管理接口）的通信協(xié)議。

I2C總線的構(gòu)成及信號類型

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。對于并聯(lián)在一條總線上的每個IC都有唯一的地址。

I2C總線有兩根信號線，一根為SDA（數(shù)據(jù)線），一根為SCL（時鐘線），時鐘信號是由主控器件產(chǎn)生。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。

開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖教?，表示開始通信。

結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖教?，結(jié)束結(jié)束通信。

應(yīng)答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。

開始和結(jié)束信號都是由主機(jī)發(fā)出的，應(yīng)答信號是由從機(jī)發(fā)出的，開始和結(jié)束通信過程的時序如圖所示。

這些信號中，起始信號是必需的，結(jié)束信號和應(yīng)答信號，都可以不要。

輝煌的歷史和光明的未來

為什么會對I2C總線協(xié)議和接口有興趣？目前幾乎所有研發(fā)出來的IC傳感器都使用I2C總線作為通信信道。這種簡單的兩線式接口節(jié)省了引腳數(shù)目，高效的載荷利用率確保了足夠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挕Ｗ钪匾氖?，I2C總線接口在微控制器中的大量應(yīng)用使得接入傳感器變得很容易——確保了其廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。

現(xiàn)在的智能手機(jī)設(shè)計使人們對I2C總線設(shè)備的使用有深入了解?，F(xiàn)代智能手機(jī)需要大量的人為和環(huán)境投入，舉例來說：羅盤、陀螺儀、高度計、溫度計、濕度計、指紋、加速計、環(huán)境光線、接近程度、觸感、力度。總的來說，每款智能手機(jī)的設(shè)計中有超過10個不同的I2C總線傳感器，每升級到新一代的平臺，其數(shù)目還會增加。計算部分也依賴于I2C總線。服務(wù)器系統(tǒng)需要保持高度可靠和最大的正常工作時間。I2C總線可以對環(huán)境變量包括電源電壓，功耗，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和溫度提供一個獨(dú)立的報告結(jié)構(gòu)。實際上，內(nèi)存DIMMs和CPU也由I2C總線信道來連接，用于向CPU提供內(nèi)存速度，配置和其他工作參數(shù)。

I2C總線用于連接許多設(shè)備

是什么促進(jìn)了I2C總線的發(fā)展

I2C總線的運(yùn)行速度不斷遞增，外圍芯片數(shù)量不斷增長，半導(dǎo)體廠商們是如何使得總線更容易使用的？一個主要問題是現(xiàn)代系統(tǒng)中不同的供電電平。CPU 使用的電壓最低以減少其功耗，而傳感器使用較高的電壓以增加模擬信號的擺幅。由于不同的供電電壓，I2C總線需要一個高速、雙向、穩(wěn)健的電壓電平轉(zhuǎn)換器。需要注意的是，I2C總線是雙向的，但是它并沒有方向引腳，轉(zhuǎn)換器必須檢測出要往哪個方向傳遞并做出相應(yīng)的調(diào)整——在高速運(yùn)行的狀況下這個任務(wù)并不容易。

在某些情況下，I2C總線必須從處于相對安全的設(shè)備外殼中脫離出來，面對嚴(yán)酷的、不可預(yù)測的外界環(huán)境。即使是處于設(shè)備外殼中，當(dāng)PCB信號線過長時，可能造成電容性負(fù)載增加，進(jìn)而將導(dǎo)致信號成倍增長，不再符合規(guī)范。這兩種狀況都可以用I2C緩沖器和信號放大器來解決。而在緩沖器設(shè)計方面，所有電壓電平轉(zhuǎn)換器的設(shè)計依然面臨挑戰(zhàn)，而且還增加了對高速放大器的需要。

現(xiàn)在的系統(tǒng)使用大量的I2C外設(shè)，所以容易導(dǎo)致設(shè)備地址沖突。解決辦法是采用一個多路復(fù)用器芯片將上游總線分為2個、4個或8個獨(dú)立的下游總線，以作為各個部分獨(dú)立運(yùn)作。這些分部可以作為冗余分支，也可以簡單地為I2C外設(shè)劃分地址空間。

新一代I2C總線的發(fā)展方向

半導(dǎo)體器件公司正在積極地開展對總線的改進(jìn)和擴(kuò)大應(yīng)用。許多人關(guān)心的問題是其抗噪聲能力。雖然I2C高度可靠，但是并沒有協(xié)議方法來丟棄錯誤的數(shù)據(jù)包，因為總線本身設(shè)計簡單，以便于應(yīng)用。

NXP公司推出了一個硬件的解決方案，可以直接將I2C總線由單端切換為差分配置。這極大地增強(qiáng)了抗噪聲能力，并且克服了由于不同電源域而導(dǎo)致的接地偏移問題。當(dāng)然為了確保當(dāng)前軟件可以使用，并沒有改變協(xié)議。

I2C總線規(guī)范對于多個主機(jī)也做出了規(guī)定，但是有許多地方可能會引發(fā)問題。N X P的解決方案明確了協(xié)議以及在需要仲裁之前要發(fā)送什么消息。這使得主機(jī)之間的無縫切換成為可能，并且不會出現(xiàn)丟包或畸形數(shù)據(jù)包——增加了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。

另一個開發(fā)領(lǐng)域是關(guān)于多主機(jī)的仲裁。有127個I2C地址，而每個設(shè)備有一個基址是固化的，許多設(shè)備使用引腳來改變地址，還有許多設(shè)備只有一個地址。假設(shè)你有一個設(shè)備只有1個I2C地址，但是你必須在系統(tǒng)中使用4個設(shè)備。你可以使用多路復(fù)用器將上游總線分為4個獨(dú)立的下游總線。你可以在每個下游總線上使用相同的I2C地址而不會引起沖突。

I2C會被SPI取代嗎

由于具備工作系統(tǒng)所需的簡單的硬件和軟件，I2C總線被廣泛接受。在許多年的“精簡系統(tǒng)”之后，似乎有人懷疑另一種總線可以取代I2C總線，這就是SPI。

S P I經(jīng)常被視為I2C的可行的替代方案。因為S P I的接口更加面向數(shù)字化，這使得將S P I納入系統(tǒng)似乎更簡單。但是S P I只是一個硬件接口，而其協(xié)議是完全開放的，這意味著每個新的S P I外設(shè)的使用需要新的軟件支持。而I2C總線是完全指定的，所有的外設(shè)都可以在任何主機(jī)上工作。但是I2C總線屬于模擬密集型，需要細(xì)致的系統(tǒng)設(shè)計以維持其最佳性能。我們都應(yīng)該重溫I2C總線的細(xì)節(jié)，投入所需的資源進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)總線可靠性最大化。