一、什么是I2C总线

I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。

二、I2C总线的基本结构

采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。I2C总线接口电路结构如图1所示。

图1：I2C总线接口电路结构

三、双向传输的接口特性

传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。

总线上主和从(即发送和接收)的关系不是一成不变的，而是取决于此时数据传送的方向。SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线都是高电平。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。

四、I2C总线上的时钟信号

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。

当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

五、数据的传送

在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。在I2C总线技术规范中，开始和结束信号（也称启动和停止信号）的定义所示。当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。开始和结束信号都是由主器件产生。在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。I2C总线的时序如图2所示。

图2：I2C总线的时序如图2所示。

I2C总线的数据传送格式是：在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。

在I2C总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ACK）。数据的传送过程所示。每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收I2C总线上的数据字节）可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SDA保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。数据传送时序如图3所示。

图3：数据传送时序

I2C总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何数据，则可以忽略该地址不作响应。如果该器件需要广播呼叫寻址中提供的数据，则应对地址作出响应，其表现为一个接收器。

六、总线竞争的仲裁

总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。例如，多单片机系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送数据，这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。

七、I2C总线接口器件

目前在视频处理、移动通信等领域采用I2C总线接口器件已经比较普遍。另外，通用的I2C总线接口器件，如带I2C总线的单片机、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。

AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在AT89C51试验开发板上它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.5连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。第7脚需要接地。24C02中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。

这是将0600H地址中以下的8个数据写到24C02的01H为首址单元中去的汇编程序

ORG0000H

SCLBITP3.4;定义24C02的串行时钟线

SDABITP3.5;定义24C02的串行数据LJMPSTART

START:LCALLSTAR;调用

MOVR2,#08H;一个数据有8位

MOVDPTR,#0600H;定义源数据的位置

LOOP:MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

LCALLSDATA

LCALLACK

JCLOOP

INCDPTR

DJNZR2,LOOP

LCALLSTOP;调用停止子程序

STAR:SETBSDA

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSDA

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

RET

SDATA:MOVR0,#08H

LOOP0:RLCA

MOVSDA,C

NOP

NOP

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

CLRSCL

DJNZR0,LOOP0

RET

ACK:SETBSDA

NOP

NOP

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

MOVC,SDA

CLRSCL

RET

STOP:CLRSDA

NOP

NOP

NOP

NOP

SETBSCL

NOP

NOP

NOP

NOP

SETBSDA

NOP

NOP

NOP

NOP

RET

ORG0600H

DB0A0H,10H,01H,02H,03H,04H,05H,06H

END

读写子程序如下：;写串行E2PROM子程序EEPW

;R3=10100000（命令1010+器件3位地址+读/写。器件地址一个芯片，是000）

;(R4)=片内字节地址

;(R1)=欲写数据存放地址指针

;(R7)=连续写字节数n

EEPW:MOVP1,#0FFH

CLRP1.0;发开始信号

MOVA,R3;送器件地址

ACALLSUBS

MOVA,R4;送片内字节地址

ACALLSUBS

AGAIN:MOVA,@R1

ACALLSUBS;调发送单字节子程序

INCR1

DJNZR7,AGAIN;连续写n个字节

CLRP1.0;SDA置0,准备送停止信号

ACALLDELAY;延时以满足传输速率要求

SETBP1.1;发停止信号

ACALLDELAY

SETBP1.0

RET

SUBS:MOVR0,#08H;发送单字节子程序

LOOP:CLRP1.1

RLCA

MOVP1.0

NOP

SETBP1.1

ACALLDELAY

DJNZR0,LOOP;循环8次送8个bit

CLRP1.1

ACALLDELAY

SETBP1.1

REP:MOVC,P1.0

JCREP;判应答到否，未到则

CLRP1.1RET

DELAY:NOP

NOP

RET

;读串行E2PROM子程序EEPR;(R1)=欲读数据存放地址指针

;R3=10100001（命令1010+器件3位地址+读/写。器件地址一个芯片，是000）

;(R4)=片内字节地址

;(R7)=连续读字节数

EEPR:MOVP1,#0FFH

CLRP1.0;发开始信号MOVA,R3;送器件地址ACALLSUBS;调发送单字节子程序

MOVA,R4;送片内字节地址

ACALLSUBS

MOVP1,#0FFH

CLRP1.0;再发开始信号

MOVA,R3

SETBACC.0;发读命令

ACALLSUBS

MORE:ACALLSUBR

MOV@R1,A

INCR1

DJNZR7,MORE

CLRP1.0

ACALLDELAY

SETBP1.1

ACALLDELAY

SETBP1.0;送停止信号

RET

SUBR:MOVR0,#08H;接受单字节子程序

LOOP2:SETBP1.1

ACALLDELAY

MOVC,P1.0

RLCCLRP1.1

ACALLDELAY

DJNZR0,LOOP2

CJNER7,#01H,LOW

SETBP1.0;若是最后一个字节置A=1

AJMPSETOK

LOW:CLRP1.0;否则置A=0

SETOK:ACALLDELAY

SETBP1.1

ACALLDELAY

CLRP1.1

ACALLDELAY

SETBP1.0;应答毕,SDA置1

RET

程序中多处调用了DELAY子程序(仅两条NOP指令)，这是为了满足I2C总线上数据传送速率的要求，只有当SDA数据线上的数据稳定下来之后才能进行读写(即SCL线发出正脉冲)。另外，在读最后一数据字节时，置应答信号为“1”，表示读操作即将完成。