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  • USB总线结构

    千次阅读 2009-05-14 10:40:00
    USB(通用串行总线),由Intel公司提出,带宽为12Mbps,传统接口总线相比,主要优点有三个,1.可接入多达127个设备,目前计算机外设越来越多,PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求,USB缓解了这一矛盾。2.可以...

     USB(通用串行总线),由Intel公司提出,带宽为12Mbps,与传统接口总线相比,主要优点有三个,1.可接入多达127个设备,目前计算机外设越来越多,PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求,USB缓解了这一矛盾。2.可以热插拔,在电脑通电的情况下可以随时热插拔所连接的设备。3.可即插即用。

      设计USB的设备就必须深入了解USB的体系结构。USB通用串行总线同其他串行并行接口不同,它是一个软硬件相结合的系统体系,对于刚刚进入USB设计的工程师来说,这个结构是复杂的。为此,下面论述了USB的一些体系结构和基本概念。
    USB总线的总体结构
    整个USB总线可以分为3个部分进行描述:USB连接、USB设备、USB主机(如图1)。
    USB连接
      USB连接是指USB主机和USB设备的通信方式与方法,包括:总线拓扑(USB主机和设备之间的连接方式);层内关系(USB总线每一层中的任务);数据流模式(数据在USB总线上的流动方式);USB调度(USB提供一个共享的服从调度的互连)。
      USB设备是通过USB总线连接到USB主机上的。USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。处于每个星形拓扑中央的是hub(USB集线器)。在主机和一个hub或者一个应用之间以及在hub和其它hub或应用之间都是一个点对点的连接。图1表示了USB的拓扑类型。
    USB主机
      在USB总线中只有一个主机。USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器,它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。
    USB设备
      首先USB设备可被分为两大类:hub类(提供附加USB接入点的设备)和功能 设备类(为系统实现某些功能的设备,如ISDN适配器、数字游戏杆等)。
      按照功能,USB设备又可分为很多类,如:音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。每个USB设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。
      USB设备都有一个标准的USB接口,它的作用为:解释USB协议;对标准USB操作的响应,如挂起和设置等;提供设备的一些描述信息。
      在实际的设计应用中,USB设备的接口有自已的特点。USB接口的正确设计与设备的性能紧密相关,在USB接口设计之前必须要对设备的功能、指标进行详细的分析。
      连接在USB接口上的设备通过基于令牌和主机控制的协议来共同享用整个USB带宽。在其它设备正常工作的前提下,USB允许某设备连接、设置、运行和断开连接。
    USB数据传逻辑结构
      USB设备在逻辑上分成了几个层次,分别是设备层、配置层、接口层和节点层。
    USB设备中各层的逻辑关系如图2所示:

       1.节点:每个设备内有一个或多个逻辑连接点,称为节点。
       2.接口:一个设备对主机表现为一组合适的节点,一组相关的节点称为一个接口。有多个接口的设备称为组合设备。
       3.配置:设备可以有多组接口,每一组称为一个配置,一次只能有一个配置是活动的。但是,当前配置中的所有接口(和它们的节点)可以同时是活动的。大多数设备只有一个配置和一个接口。当一个设备第一次插入系统时,Windows提示用户选择合适的配置。
       4.管道:在USB中,传输是在USB设备的某一具节点和主机软件之间进行的,这个相关的结构就称为管道,即为设备的一个节点与主机之间的数据传输的模型。管道有两种:流管道和消息管道。其中消息管道的数据结构是USB定义好的,而流管道没有固定的结构。另外,数据传输带宽、传输类型、节点的特性(如方向和缓冲大小)都影响着它的管道特性。大多数的管道在USB设备配置好之后就产生了。其中有一个最重要的消息管理是“缺省控制管道”,这个管道在设备一加电的时候就存在了,它提供设备的配置和状态等信息的控制。
    管道可以是单向的也可以是双向的。一个USB设备可以有很多个管道,管道之间是相互独立的,比如设备的一个管道可以从主机接收数据而另一个管道可以发送数据。在一个设备配置中每一个管道(即每一个节点)只能支持下述的一个数据传型。
       5.传输类型:USB总线包括4种传输类型(传输管道):
        ●控制传输类型:用于传输控制信息,如:在连接时配置设备,控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。
        ●块数据传输类型:用于传输相对比较大的和突发性强的数据,一般这种传输的动态范围比较宽。数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证,对错误的数据可进行重复发送。块传输 是连续的,它的带宽占用依据其它USB设备的使用情况而不同。这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。
        ●中断数据传输类型:数据量小,延迟短,通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息,多用于人机交互设备,如鼠标,键盘、游戏杆等。
        ●同步数据传输类型:占用预先分配的带宽,实时传输。对于同步传输管道,带宽的要求与设备的采样率有关,时延的要求与每个节点的缓冲大小有关。为保证数据的实时传输,在传输过程中的一些误码是不被纠正的(如不进行重试等),则实际上USB的心位错误率是十分小的,它完全可以被忽略掉,不足以形成问题。
    USB数据传输的逻辑模型如图3所示:
      根据实际应用中得出的经验,工程技术人员需要预先计划好的USB接口指标包括:所设计的USB设备的带宽,由此确定设备为低速设备还是全速设备;是否采用多重配置;是否采用多个接口,即设备是否是复合设备,是否包括多个功能;设备的每个功能都分别包括几个管道(节点),各个管道的传输方式和它们之间有什么关系。只有把这些问题都分析清楚,才可以着手进行下一下的详细设计。
    结束语
      随着USB2.0协议的推出,USB的应用范围将更为扩大。USB2.0所定义的带宽为480Mbps,它的出现将彻底改变USB只能在低速设备上应用的现状。由于有相同的USB高速模式的结构,从现有的USB1.1外设向USB2.0转移相对来说比较容易的,所以全面了解USB的体系结构对于USB1.1和USB2.0设备的设计都是非常重要的。
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  • 相比并行总线串行连接的物理紧密度和链路韧性具有很多优势。因此,很多传输领域都转向了串行传输,如笔记本电脑显示互连、高速背板互连和存储器内部互连。该系统涉及到的技术主要包括:光纤传输、PCIE(PCI-...
  • 串行护展总线技术是新...与并行扩展总线相比串行扩展总线有突出的优点:电路结构简单,程序编写方便,易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化等。本文是把I2C总线应用到MSP430单片机温度控制系统中的一个典型实例。
  • 串行护展总线技术是新一代单片机...与并行扩展总线相比串行扩展总线突出优点:电路结构简单,程序编写方便,易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化等。本文是把I2C总线应用到MSP430温度控制系统中的一个典型实例。
  • USB总线的体系结构

    千次阅读 2009-08-07 11:01:00
    USB(通用串行总线),由Intel公司提出,带宽为12Mbps,传统接口总线相比,主要优点有三个,1.可接入多达127个设备,目前计算机外设越来越多,PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求,USB缓解了这一矛盾。2.可以...

    USB(通用串行总线),由Intel公司提出,带宽为12Mbps,与传统接口总线相比,主要优点有三个,1.可接入多达127个设备,目前计算 机外设越来越多,PC机内有限的插槽和接口已经不能满足要求,USB缓解了这一矛盾。2.可以热插拔,在电脑通电的情况下可以随时热插拔所连接的设备。 3.可即插即用。

      设计USB的设备就必须深入了解USB的体系结构。USB通用串行总线同其他串行并行接口不同,它是一个软硬件相结合的系统体系,对于刚刚进入USB设计的工程师来说,这个结构是复杂的。为此,下面论述了USB的一些体系结构和基本概念。
    USB总线的总体结构
    整个USB总线可以分为3个部分进行描述:USB连接、USB设备、USB主机(如图1)。
    USB连接
      USB连接是指USB主机和USB设备的通信方式与方法,包括:总线拓扑(USB主机和设备之间的连接方式);层内关系(USB总线每一层中的任务);数据流模式(数据在USB总线上的流动方式);USB调度(USB提供一个共享的服从调度的互连)。
      USB设备是通过USB总线连接到USB主机上的。USB总线上的物理连接是一个分层的星形拓扑。处于每个星形拓扑中央的是hub(USB 集线器)。在主机和一个hub或者一个应用之间以及在hub和其它hub或应用之间都是一个点对点的连接。图1表示了USB的拓扑类型。
    USB主机
      在USB总线中只有一个主机。USB总线与计算机主机系统的接口部分就是主机控制器,它可被看做一个硬件、固件和软件的结合体。主机系统中集成了一个根hub来提供一个或多个连接点。
    USB设备
      首先USB设备可被分为两大类:hub类(提供附加USB接入点的设备)和功能 设备类(为系统实现某些功能的设备,如ISDN适配器、数字游戏杆等)。
      按照功能,USB设备又可分为很多类,如:音频、人机交互、显示、通信、电源、打印机、海量存储、物理反馈等设备。每个USB设备都必须提供自鉴定信息和通用的设置。
      USB设备都有一个标准的USB接口,它的作用为:解释USB协议;对标准USB操作的响应,如挂起和设置等;提供设备的一些描述信息。
      在实际的设计应用中,USB设备的接口有自已的特点。USB接口的正确设计与设备的性能紧密相关,在USB接口设计之前必须要对设备的功能、指标进行详细的分析。
      连接在USB接口上的设备通过基于令牌和主机控制的协议来共同享用整个USB带宽。在其它设备正常工作的前提下,USB允许某设备连接、设置、运行和断开连接。
    USB数据传逻辑结构
      USB设备在逻辑上分成了几个层次,分别是设备层、配置层、接口层和节点层。
    USB设备中各层的逻辑关系如图2所示:

       1.节点:每个设备内有一个或多个逻辑连接点,称为节点。
       2.接口:一个设备对主机表现为一组合适的节点,一组相关的节点称为一个接口。有多个接口的设备称为组合设备。
       3.配置:设备可以有多组接口,每一组称为一个配置,一次只能有一个配置是活动的。但是,当前配置中的所有接口(和它们的节点)可以同时是活动的。大多数设备只有一个配置和一个接口。当一个设备第一次插入系统时,Windows提示用户选择合适的配置。
       4.管道:在USB中,传输是在USB设备的某一具节点和主机软件之间进行的,这个相关的结构就称为管道,即为设备的一个节点与主机之间 的数据传输的模型。管道有两种:流管道和消息管道。其中消息管道的数据结构是USB定义好的,而流管道没有固定的结构。另外,数据传输带宽、传输类型、节 点的特性(如方向和缓冲大小)都影响着它的管道特性。大多数的管道在USB设备配置好之后就产生了。其中有一个最重要的消息管理是“缺省控制管道”,这个 管道在设备一加电的时候就存在了,它提供设备的配置和状态等信息的控制。
    管道可以是单向的也可以是双向的。一个USB设备可以有很多个管道,管道之间是相互独立的,比如设备的一个管道可以从主机接收数据而另一个管道可以发送数据。在一个设备配置中每一个管道(即每一个节点)只能支持下述的一个数据传型。
       5.传输类型:USB总线包括4种传输类型(传输管道):
        ●控制传输类型:用于传输控制信息,如:在连接时配置设备,控制其它管道的状态以及完成一些设备自定的用途。
        ●块数据传输类型:用于传输相对比较大的和突发性强的数据,一般这种传输的动态范围比较宽。数据传输的可靠性由硬件层错误检测来保证, 对错误的数据可进行重复发送。块传输 是连续的,它的带宽占用依据其它USB设备的使用情况而不同。这种传输类型一般用于打印机、扫描仪等。
        ●中断数据传输类型:数据量小,延迟短,通常用于传输设备反馈回计算机的字符和坐标信息,多用于人机交互设备,如鼠标,键盘、游戏杆等。
        ●同步数据传输类型:占用预先分配的带宽,实时传输。对于同步传输管道,带宽的要求与设备的采样率有关,时延的要求与每个节点的缓冲大 小有关。为保证数据的实时传输,在传输过程中的一些误码是不被纠正的(如不进行重试等),则实际上USB的心位错误率是十分小的,它完全可以被忽略掉,不 足以形成问题。
    USB数据传输的逻辑模型如图3所示:
      根据实际应用中得出的经验,工程技术人员需要预先计划好的USB接口指标包括:所设计的USB设备的带宽,由此确定设备为低速设备还是全速 设备;是否采用多重配置;是否采用多个接口,即设备是否是复合设备,是否包括多个功能;设备的每个功能都分别包括几个管道(节点),各个管道的传输方式和 它们之间有什么关系。只有把这些问题都分析清楚,才可以着手进行下一下的详细设计。
    结束语
      随着USB2.0协议的推出,USB的应用范围将更为扩大。USB2.0所定义的带宽为480Mbps,它的出现将彻底改变USB只能在低 速设备上应用的现状。由于有相同的USB高速模式的结构,从现有的USB1.1外设向USB2.0转移相对来说比较容易的,所以全面了解USB的体系结构 对于USB1.1和USB2.0设备的设计都是非常重要的。
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  • 引言  近年来软件无线电(SDR)得到了飞速的发展,在很多...传统的并行PCI总线相比,PCIE采用串行总线点对点连接,具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s[1],
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  • 引言  近年来软件无线电(SDR)得到了飞速的发展,在很多...传统的并行PCI总线相比,PCIE采用串行总线点对点连接,具有更高的传输速率和可扩展性。例如本文采用的8通道1代PCIE 2.0硬核的理论传输速率是4 GB/s[1],
  •  PCIE是串行协议,原有的PCI并行总线相比,它没有大量的数据和控制线,对于硬件电路设计者来说,省去了很多硬件设计工作。PCIE的传输速度远远大于PCI总线,PCIE1.1版本单个链路的单向吞吐量能达到250 MB/s
  • PCIE是串行协议,原有的PCI并行总线相比,它没有大量的数据和控制线,对于硬件电路设计者来说,省去了很多硬件设计工作。PCIE的传输速度远远大于PCI总线,PCIE1.1版本单个链路的单向吞吐量能达到250MB/s。对于需要...
  •  PCIE是串行协议,原有的PCI并行总线相比,它没有大量的数据和控制线,对于硬件电路设计者来说,省去了很多硬件设计工作。PCIE的传输速度远远大于PCI总线,PCIE1.1版本单个链路的单向吞吐量能达到250 MB/
  • I2C总线系统传统的并行总线系统相比具有结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠性高等优点。 在一个完整的单片机系统中,A/D转换芯片往往是必不可少的。PCF8591是一种具有I2

    1 引言

        I2C总线是Philips公司推出的串行总线,整个系统仅靠数据线(SDA)和时钟线(SCL)实现完善的全双工数据传输,即CPU与各个外围器件仅靠这两条线实现信息交换。I2C总线系统与传统的并行总线系统相比具有结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠性高等优点。
        在一个完整的单片机系统中,A/D转换芯片往往是必不可少的。PCF8591是一种具有I2C总线接口的A/D转换芯片。在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。

    2  芯片介绍

        PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器。有4路A/D转换输入,1路D/A模拟输出。这就是说,它既可以作A/D转换也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型。引脚图如图1所示。结构图如图2所示。电源电压典型值为5V。
    AIN0~AIN3:模拟信号输入端。
    A0~A3:引脚地址端。
    VDD、VSS:电源端。
               (2.5~6V)
    SDA、SCL:I2C总线的数据线、
                  时钟线。
    OSC:外部时钟输入端,内部时钟
           输出端。
    EXT:内部、外部时钟选择线,使
          用内部时钟时EXT接地。
    AGND:模拟信号地。
    AOUT:D/A转换输出端。
    VREF:基准电源端。

                                  图2  PCF8591

    3 应用
        3.1 器件总地址
        PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法,即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利蒲公司规定A/D器件地址为1001。引脚地址为A2A1A0,其值由用户选择,因此I2C系统中最多可接23=8个具有I2C总线接口的A/D器件。地址的最后一位为方向位R/ ,当主控器对A/D器件进行读操作时为1,进行写操作时为0。总线操作时,由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。
        3.2 控制字节
        控制字节用于实现器件的各种功能,如模拟信号由哪几个通道输入等。控制字节存放在控制寄存器中。总线操作时为主控器发送的第二字节。其格式如下所示:
     

    其中:D1、D0两位是A/D通道编号:00通道0,01通道1,10通道2,11通道3
            D2  自动增益选择(有效位为1)
            D5、D4模拟量输入选择:00为四路单数入、01为三路差分输入、10为单端与差分配合输入、11为模拟输出允许有效
        当系统为A/D转换时,模拟输出允许为0。模拟量输入选择位取值由输入方式决定:四路单端输入时取00,三路差分输入时取01,单端与差分输入时取10,二路差分输入时取11。最低两位时通道编号位,当对0通道的模拟信号进行A/D转换时取00,当对1通道的模拟信号进行A/D转换时取01,当对2通道的模拟信号进行A/D转换时取10,当对3通道的模拟信号进行A/D转换时取11。
        在进行数据操作时,首先是主控器发出起始信号,然后发出读寻址字节,被控器做出应答后,主控器从被控器读出第一个数据字节,主控器发出应答,主控器从被控器读出第二个数据字节,主控器发出应答…一直到主控器从被控器中读出第n个数据字节,主控器发出非应答信号,最后主控器发出停止信号。
    3.3 应用电路
        如图3所示电路是暖水锅炉水温检测和A/D转换电路。AD581作为电流型温度传感器AD590的基准电源。两只AD590分别用来采集上水和回水的温度。


            图3 暖水锅炉水温检测和A/D转换电路
        温度变化时通过AD590的电流发生变化,温度每升高1℃,电流增加1mA。两只远放电路的作用是将电流信号转变为电压信号。图中R6、R7、R8、R9是温度校准电位器,均采用精细电位器。图中R6和R7分别用来校准0℃时两运放的输出电压,即将传感器置于冰水混合液中时,调节R6或R7使运放的输出电压,即将传感器置于冰水混合液中时,调节R6或R7使运放的输出电压为0V。图中R8和R9分别用来校准100℃时两运放的输出电压,即将传感器置于沸水时,调节R8或R9使两运放的输出电压为某一确定值。此值由使用者决定,当然,其值大小要考虑A/D转换器选用的基准电源值。
         A/D转换器PCF8591靠数据线SDL和时钟线SCL与CPU联系。由软件决定水温数据的采集时间和数据的存储以及送去显示。

    4 结论

        Philips公司推出的I2C总线系统较通用单片机系统电路简单。由普通CPU芯片同I2C专用器件组成的系统为模拟I2C系统,它性能稳定,价格较低,具有较大的应用前景.

        参考文献:

         1. 何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1997.
    2. 何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

     

     
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  • IIC详解

    千次阅读 2010-03-07 20:36:00
    I2C总线详解2010年01月26日 星期二 上午 11:33 近年来,单片机串行扩展技术得到了发展,并正在成为单片机应用系统扩展的主流。... I2C总线基础 (1)串行扩展总线的特点 与并行扩展相比串行扩展具有如下特点: 能最
    I2C总线详解
    2010年01月26日 星期二 上午 11:33
     
     
     
    近年来,单片机串行扩展技术得到了发展,并正在成为单片机应用系统扩展的主流。目前较为常用的串行扩展方式有移位寄存器扩展和I2C总线扩展。
    1. I2C总线基础
    1)串行扩展总线的特点
    与并行扩展相比,串行扩展具有如下特点:
    1. 能最大限度地发挥最小系统的资源功能。将原来由并行扩展占用的P0 口和P2 口直接用于输入/输出。
    2. 简化硬件线路,缩小了印制线路板的面积,降低了成本。串行扩展只需1~4根信号线,器件间连线简单,结构紧凑,可大大缩小系统的尺寸,适用于小型单片机应用系统。
    3. 扩展性好,可简化系统的设计。串行总线能十分方便地构成由一台单片机和部分外围器件组成的单片机应用系统。
    4. 串行总线的缺点是数据处理容量较小,信号传输速度较慢,但随着CPU工作频率的提高,以及串行扩展芯片功能的不断增强,这些缺点将逐步淡化。其应用将会越来越广。

    2I2C总线简介
    aaaaI2C总线(Inter IC BUS—集成电路芯片间的串行总线)是一种由Philips公司推出的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准,能用于替代标准的并行总线。
    aaaaI2C总线产生于80年代,它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口,很多外围器件如SRAM、EEPROM、I/O口、ADC/DAC等也提供I2C接口。即使无I2C总线接口的器件(如80C51),只要通过与具有I2C结构的I/O接口电路连接,也能成为I2C总线扩展器件。带有I2C接口的单片机有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。图6-34是I2C总线的外围扩展示意图。它给出了单片机应用系统中最常使用的I2C总线外围通用器件。
    i21
    aaaa图6-34 I2C总线的外围扩展示意图
    3 I2C总线的性能特点
    I2C总线的性能特点可体现为以下几方面:

    1. 简单性

    aaaa这是I2C总线最主要的优点。由于接口就在组件上,因此I2C总线占用的空间非常小,减少了电路板的层数和电路连线,简化了芯片管脚的数量,并且不需要并行总线接口,因而降低了互联成本。

    1. 有效性

    aaaaI2C总线的长度可达25英尺(7、8米),标准I2C总线传输速率可以到100Kbps,通过使用7位地址码,就能支持128个设备。加强型I2C总线用了10位地址码(能够支持1024个设备),快速模式传输速度达到400Kbps;高速模式传输速度最高有3.4Mbps。

    • 支持多主控(multimastering),所以更容易调试。

    2 I2C总线原理
    (1)I2C总线的构成
    aaaaI2C总线是由数据线SDA和时钟信号SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址。
    aaaa在信息的传输过程中,I2C总线上并接的每一模块电路既可充当主控器(或被控器),又能作为发送器(或接收器)使用,这取决于它所要完成的功能。
    aaaaCPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分,地址码用来选地址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类,类似于电话的拨号;控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。

    (2) I2C总线的信号类型
    aaaaI2C总线在传送数据过程中共有三种信号类型,它们分别是:开始信号、结束信号和应答信号。

    1. 开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
    2. 结束信号:SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
    3. 应答位信号:主控器与被控器之间的联系信号,它是I2C总线上第9个时钟脉冲对应的SDA状态。当该状态为“0”电平时,表示有应答信号;当该状态为“1”电平时,表示无应答。

    主控器与被控器之间应答信号的联系过程如下:
    aaaa接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,可以判断为受控单元出现故障。
    (3) I2C总线上一次典型的工作流程

    1. 开始:发送开始信号,表明传输开始。
    2. 发送地址:主设备发送地址信息,包含7位的从设备地址和1位的指示位(表明读或者写,即数据流的方向)。
    3. 发送数据:根据指示位,数据在主设备和从设备之间传输。数据一般以8位传输,最重要的位放在前面;具体能传输多少量的数据并没有限制。接收器上用一位的ACK(应答信号)表明每一个字节都收到了。传输可以被终止和重新开始。
    4. 停止:发送停止信号,结束传输。

    (4) I2C总线的基本操作
    aaaaI2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变,SCL为高电平的期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图6-35。

    i23
    图6-35 串行总线上的数据传送顺序
    ⑴从器件的控制地址

    aaaa在起始条件之后,必须是从器件的控制地址,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EEPROM一般应为1010),接着三位是片选,最后一位是读写位,当该位为1时表示读操作,为0时表示写操作。如图6-36 所示。
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    图6-36 从器件的地址配置SLA
    ⑵写操作

    aaaa写操作分为字节写和页面写两种,在页面写方式下要根据芯片的一次装载的字节不同而有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序参见图6-37。灰色部分由80C51发送,白色部分由24CXX发送。

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    说明:1.其中S表示开始信号,A是应答信号,P是停止信号。
    2.SLAw是从器件的控制地址(最后一位为0,表示写操作);
    3.SADR是要写入页面的首地址。
    图6-37 页面写
    ⑶读操作
    aaaa读操作有三种基本情况:当前地址读、随机读和顺序读。图6-38给出的是顺序读的时序图。
    aaaa应当注意的是:最后一个读操作的第9个时钟周期没有应答信号。原因是为了结束读操作,主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。
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    说明:1.其中S表示开始信号,A是应答信号,P是停止信号。
    2.SLAw是从器件的控制地址(最后一位为0,表示写操作);
    3.SLAR是从器件的控制地址(最后一位为1,表示读操作);
    4.SADR是读出单元的首地址。
    aaaaaaaaaaaa图6-38 顺序读
    3. I2C总线应用实例
    (1) 常用I2C芯片简介

    文本框:    图6-39 24C02执行写操作时与80C51的接口aaaa近年来,基于I2C总线的各种串行EEPROM的应用日益增多,如CATALYST公司生产的24CXX系列芯片就是一个典型代表。该系列产品主要有24C02、24C04、24C08、24C16和24C32,容量分别对应于2~32KB。它们一般具有并口EEPROM的特点,但以串行方式传送数据,一般仅占用2~4条I/O线,价格低廉。
    图6-39 是DIP封装的24C02与80C51的接口方案。其中A0、A1、A2是芯片地址线,单片使用时接地;SCL是串行移位时钟端;SDA是串行数据或地址端,CPU通过SDA访问芯片;WP是写保护端,接高电平时芯片只能读。

    文本框:    图6-40  24C04与51单片机接口(2) 应用实例—80C51对X24C04的单字节写操作
    aaaaX24C04是XICOR公司的CMOS结构4096位(512Byte×8位)串行EEPROM,16字节页面写。与80C51单片机接口如图6-40所示。SDA是漏极开路输出,且可以与任何数目的漏极开路或集电极开路输出“线或”(wire-Ored)连接,上拉电阻的选择可参考X24C04的数据手册。下面是通过I2C接口对X24C04进行单字节写操作的例程(设输入参数为A)。流程图及源程序如下:
    MOV R7,#08H ;1字节8位
    SENDA: CLR P3.2    ;
    RLC A              ;左移一位
    MOV P3.3,C         ;写一位
    SETB P3.2
    DJNZ R7,SENDA      ;写完8个字节?
    CLR P3.2           ;应答信号
    SETB P3.3
    SETB P3.2
    RET
    (3) 使用须知
    aaaa在I2C总线的应用中应注意这样几个问题:

    1.  
      • 严格按照时序图的要求进行操作。
      • 若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接,可以不外加上拉电阻。
      • 程序中为配合相应的传输速率,在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时。
      • 为了减少意外的干扰信号将EEPROM内的数据改写可用外部写保护引脚(如果有),或者在EEPROM内部没有用的空间写入标志字,每次上电时或复位时做一次检测,判断EEPROM是否被意外改写。
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串行总线与并行总线相比