I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它通過SDA（串行數據線）及SCL（串行時鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據地址識別每個器件：不管是單片機、存儲器、LCD驅動器還是鍵盤接口。

1．I2C總線的基本結構采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內部不僅有I2C接口電路，而且將內部各單元電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊，通過軟件尋址實現片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對該單元的工作狀況進行檢測，從而實現對硬件系統的既簡單又靈活的擴展與控制。I2C總線接口電路結構如圖1所示。

2．雙向傳輸的接口特性傳統的單片機串行接口的發送和接收一般都各用一條線，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C總線則根據器件的功能通過軟件程序使其可工作于發送或接收方式。當某個器件向總線上發送信息時，它就是發送器（也叫主器件），而當其從總線上接收信息時，又成為接收器（也叫從器件）。主器件用于啟動總線上傳送數據并產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。I2C總線的控制完全由掛接在總線上的主器件送出的地址和數據決定。在總線上，既沒有中心機，也沒有優先機。

總線上主和從（即發送和接收）的關系不是一成不變的，而是取決于此時數據傳送的方向。SDA和SCL均為雙向I/O線，通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，兩根線都是高電平。連接總線的器件的輸出級必須是集電極或漏極開路，以具有線“與”功能。I2C總線的數據傳送速率在標準工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達400kbit/s。

3．I2C總線上的時鐘信號在I2C總線上傳送信息時的時鐘同步信號是由掛接在SCL時鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個器件的時鐘信號下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時，低電平周期短的器件的時鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態，于是這些器件將進入高電平等待的狀態。

當所有器件的時鐘信號都上跳為高電平時，低電平期結束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時開始它們的高電平期。其后，第一個結束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產生一個同步時鐘。可見，時鐘低電平時間由時鐘低電平期最長的器件確定，而時鐘高電平時間由時鐘高電平期最短的器件確定。

4．數據的傳送在數據傳送過程中，必須確認數據傳送的開始和結束。在I2C總線技術規范中，開始和結束信號（也稱啟動和停止信號）的定義如圖2所示。當時鐘線SCL為高電平時，數據線SDA由高電平跳變為低電平定義為“開始”信號；當SCL線為高電平時，SDA線發生低電平到高電平的跳變為“結束”信號。開始和結束信號都是由主器件產生。在開始信號以后，總線即被認為處于忙狀態；在結束信號以后的一段時間內，總線被認為是空閑的。

I2C總線的數據傳送格式是：在I2C總線開始信號后，送出的第一個字節數據是用來選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位（R/W）。方向位為“0”表示發送，即主器件把信息寫到所選擇的從器件；方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。開始信號后，系統中的各個器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進行比較，如果與主器件發送到總線上的地址一致，則該器件即為被主器件尋址的器件，其接收信息還是發送信息則由第8位（R/W）確定。

在I2C總線上每次傳送的數據字節數不限，但每一個字節必須為8位，而且每個傳送的字節后面必須跟一個認可位（第9位），也叫應答位（ACK）。數據的傳送過程如圖3所示。每次都是先傳最高位，通常從器件在接收到每個字節后都會作出響應，即釋放SCL線返回高電平，準備接收下一個數據字節，主器件可繼續傳送。如果從器件正在處理一個實時事件而不能接收數據時，（例如正在處理一個內部中斷，在這個中斷處理完之前就不能接收I2C總線上的數據字節）可以使時鐘SCL線保持低電平，從器件必須使SDA保持高電平，此時主器件產生1個結束信號，使傳送異常結束，迫使主器件處于等待狀態。當從器件處理完畢時將釋放SCL線，主器件繼續傳送。

當主器件發送完一個字節的數據后，接著發出對應于SCL線上的一個時鐘（ACK）認可位，在此時鐘內主器件釋放SDA線，一個字節傳送結束，而從器件的響應信號將SDA線拉成低電平，使SDA在該時鐘的高電平期間為穩定的低電平。從器件的響應信號結束后，SDA線返回高電平，進入下一個傳送周期。

I2C總線還具有廣播呼叫地址用于尋址總線上所有器件的功能。若一個器件不需要廣播呼叫尋址中所提供的任何數據，則可以忽略該地址不作響應。如果該器件需要廣播呼叫尋址中提供的數據，則應對地址作出響應，其表現為一個接收器。

5．總線競爭的仲裁總線上可能掛接有多個器件，有時會發生兩個或多個主器件同時想占用總線的情況。例如，多單片機系統中，可能在某一時刻有兩個單片機要同時向總線發送數據，這種情況叫做總線競爭。I2C總線具有多主控能力，可以對發生在SDA線上的總線競爭進行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當多個主器件同時想占用總線時，如果某個主器件發送高電平，而另一個主器件發送低電平，則發送電平與此時SDA總線電平不符的那個器件將自動關閉其輸出級。總線競爭的仲裁是在兩個層次上進行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個從器件，則進入數據位的比較，從而確保了競爭仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進行仲裁，因此不會造成信息的丟失。

6. I2C總線接口器件目前在視頻處理、移動通信等領域采用I2C總線接口器件已經比較普遍。另外，通用的I2C總線接口器件，如帶I2C總線的單片機、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驅動器等器件，也越來越多地應用于計算機及自動控制系統中。

AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是內含256×8位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。下面是它的電路圖。

圖中AT24C02的1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。在AT89C51試驗開發板上它們都接地，第8腳和第4腳分別為正、負電源。第5腳SDA為串行數據輸入/輸出，數據通過這條雙向I2C總線串行傳送，在AT89C51試驗開發板上和單片機的P3.5連接。第6腳SCL為串行時鐘輸入線，在AT89C51試驗開發板上和單片機的P3.6連接。SDA和SCL都需要和正電源間各接一個5.1K的電阻上拉。第7腳需要接地。

24C02中帶有片內地址寄存器。每寫入或讀出一個數據字節后，該地址寄存器自動加1，以實現對下一個存儲單元的讀寫。所有字節均以單一操作方式讀取。為降低總的寫入時間，一次操作可寫入多達8個字節的數據。

;這是將0600H地址中以下的8個數據寫到24C02的01H為首址單元中去的匯編程序

ORG 0000H

SCL BIT P3.4;定義24C02的串行時鐘線

SDA BIT P3.5;定義24C02的串行數據線

LJMP START

START:LCALL STAR;調用

MOV R2，#08H;一個數據有8位

MOV DPTR，#0600H;定義源數據的位置

LOOP:MOV A，#00H

MOVC A，@A+DPTR

LCALL SDATA

LCALL ACK

JC LOOP

INC DPTR

DJNZ R2，LOOP

LCALL STOP;調用停止子程序

STAR:SETB SDA

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SCL

RET

SDATA:MOV R0，#08H

LOOP0:RLC A

MOV SDA，C

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLR SCL

DJNZ R0，LOOP0

RET

ACK:SETB SDA

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

MOV C，SDA

CLR SCL

RET

STOP:CLR SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

SETB SCL

NOP

NOP

NOP

NOP

SETB SDA

NOP

NOP

NOP

NOP

RET

ORG 0600H

DB 0A0H，10H，01H，02H，03H，04H，05H，06H

END

讀寫子程序如下：

;寫串行E2PROM子程序EEPW

; R3=10100000（命令1010+器件3位地址+讀/寫。 器件地址一個芯片，是000）

; （R4）=片內字節地址

; （R1）=欲寫數據存放地址指針

; （R7）=連續寫字節數n

EEPW： MOVP1，#0FFH

CLRP1.0;發開始信號

MOVA，R3;送器件地址

ACALL SUBS

MOVA，R4;送片內字節地址

ACALLSUBS

AGAIN： MOVA，@R1

ACALL SUBS;調發送單字節子程序INC R1

DJNZR7，AGAIN;連續寫n個字節

CLR P1.0;SDA置0， 準備送停止信號

ACALLDELAY ;延時以滿足傳輸速率要求

SETB P1.1 ;發停止信號

ACALLDELAY

SETB P1.0

RET

SUBS： MOVR0，#08H ;發送單字節子程序

LOOP： CLRP1.1

RLCA

MOVP1.0，C

NOP

SETBP1.1

ACALL DELAY

DJNZR0，LOOP ;循環8次送8個bit

CLRP1.1

ACALL DELAY

SETBP1.1

REP： MOVC，P1.0

JCREP;判應答到否，未到則等待

CLR P1.1

RET

DELAY： NOP

NOP

RET

;讀串行E2PROM子程序EEPR

;（R1）=欲讀數據存放地址指針

;; R3=10100001（命令1010+器件3位地址+讀/寫。 器件地址一個芯片，是000）

;（R4）=片內字節地址

;（R7）=連續讀字節數

EEPR： MOVP1，#0FFH

CLRP1.0;發開始信號

MOVA，R3;送器件地址

ACALL SUBS ;調發送單字節子程序

MOVA，R4;送片內字節地址

ACALL SUBS

MOVP1，#0FFH

CLRP1.0;再發開始信號

MOVA，R3

SETBACC.0;發讀命令

ACALL SUBS

MORE： ACALL SUBR

MOV@R1，A

INCR1

DJNZ R7，MORE

CLRP1.0

ACALL DELAY

SETB P1.1

ACALL DELAY

SETBP1.0 ;送停止信號

RET

SUBR： MOV R0，#08H ;接受單字節子程序

LOOP2： SETB P1.1

ACALL DELAY

MOVC，P1.0

RLCA

CLRP1.1

ACALL DELAY

DJNZ R0，LOOP2

CJNE R7，#01H，LOW

SETB P1.0;若是最后一個字節置A=1

AJMP SETOK

LOW： CLRP1.0;否則置A=0

SETOK： ACALL DELAY

SETB P1.1

ACALL DELAY

CLRP1.1

ACALL DELAY

SETBP1.0;應答畢，SDA置1

RET

程序中多處調用了DELAY子程序（僅兩條NOP指令），這是為了滿足I2C總線上數據傳送速率的要求，只有當SDA數據線上的數據穩定下來之后才能進行讀寫（即SCL線發出正脈沖）。另外，在讀最后一數據字節時，置應答信號為“1”，表示讀操作即將完成。
責任編輯 LK