附录第 页 一、基于IC总线的扩展是串行扩展。IC总线（(Inter－Integrated Circuit，集成电路间）是PHILIP等公司联盟开发的多主控器双向二线制同步串行总线（我们现在只讲单主控器）： 2①IC总线由串行时钟线（SCL）和串行数据线(SDA)双向二线组成。基于IIC总线的通信是串行同步通信：即以SCL为同步信号来定位数据信号线上的数据位，开始位和停止位。 2
②在总线上挂接的IC接口器件，有标志本器件类别的器件类型码(内臵4bit)和器件片选地址(引脚设定，P196)。 ③在单主控器的IIC总线中，无论发送还是接收，SCL均由主控方提供，单向，由主控器传送给从器件；而SDA是双向的。
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④挂接在总线上的集成电路总数仅受总线总电容≤400pF的限制。 ⑤ IC总线协议支持三种工作模式：标准S（100Kbit/s）、快速F（400Kbit/s）、高速Hs（3.4Mbit/s）。
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二、我们这一讲从以下三个方面来初步认识IC总线协议，并以具有IC接口的EEPROM存储器芯片24CWxx的应用为例来具体理解和认识基于IIC总线的系统扩展。 222⒈ IC接口的电原理结构：①凡具有IC接口的器件，其内部双向口线均为漏极(或集电极)开路输出电路/带缓冲的输入电路。所有器件，包括主控器的输出口线均以“线与方式”挂接在IC总线上，总线上有上拉电阻（5～10kΩ）。双向口线和“线与”方式，便于总线双向数据传输和控制权转移。某器件要在SDA线上输出1，或要放弃对SDA线的控制，均应向SDA线输出1。
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②在具有IC总线接口的器件内，均有实现IC通信协议的控制逻辑；51单片机基本型89C51没有这种控制逻辑，但可以用编程方式来模拟这种控制逻辑；51系列中的8XC550/552/752
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等增强性机种内就预构了具备IC控制逻辑的IC通信模块。
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⒉ 信息结构：①IC串行通信基于“位传输”，即通信传输中的底层单位是“位”。但“位”不独立存在，必须由多个“位”组成一定格式的“基本单位”，并以这个基本单位进行IC通信。所谓“基本单位”与异步串行通信中的“帧”相当(不完全相同)，我们就借用“帧”这个概念了。通信中，主从双方有序组织多个“帧”进行“交互式通信”，以完成信息传送。 ②“帧”组成格式：由8bit数据位(高位在前，低位在后)、应答位ACK(或非应答位NACK)构成，根据通信开始或结束的需要，在“帧”的前后拼装开始信号S或停止信号P。见后页的图。 ③数据位是SDA在SCL高电平期间的稳定值。在SCL高电平期间SDA必须稳定；而数据位的更新必须在SCL低电平期间进行，且必须在SCL的上升沿以前提前建立准备好数据位。 ④应答位（Acknowledge）是在发送方发送8位数据位后，在第9个SCL高电平期间，接收方在SDA线上向发送方回应的信号。其值为0则为ACK（应答），其值为1则为NACK（非应答，即否定性应答）。在发送方和接收方的通信中，谁发谁收，关系是明确的，但信息中还夹带有来有往的应答，是交互的，我们更通俗的说“对话式通信”——虽然教科书不这样讲。 ⑤开始信号START是SCL和SDA两线信号的特定组合：即SCL高电平期间的SDA下降沿↓，简称为S。在开始IIC通信的那一“帧”前，需拼装开始信号。 ⑥停止信号STOP也类似：是SCL高电平期间的SDA上跳沿↑，简称为P。在IIC通信结束的那一“帧”后，需拼装发送结束信号。
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⑦上述的SCL和SDA信号均有时序的要求，见下页IC时序图表。如，SCL＝1时的SDA稳定值是数据位，SDA必须在SCL＝1前预先建立准备好，在SCL＝0后还要保持，等等。
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⒊ 操控命令结构：在以单片机为单主控方的IC总线上挂接功能不同的各种IC芯片，都是从器件（slave）。单片机作为主控方对这些不同从器件的一切操控，都是通过主控器与从器件进行对话式的IIC通信来实现的：即有序组织多个“帧”构成不同的“对话序列”， 以有来有往的对话，来实现不同目的的读写操作。 “对话序列”一般含多个“帧”，但不管对话序列如何不同，第一个“帧”必须是由主控方发出的含有器件类型码、片选地址码和控制码信息的“控制帧”，这个“控制帧”的构成是：起始信号S、器件类型(4bit)、器件片选地址(3bit)、R/W控制位(1bit，1为读、0为写)、从器件应答位（ACK或NACK）。在这个“控制帧”后，再根据不同读写操作的需要，下跟其它“帧”，比如地址帧、数据帧等构成不同的对话序列。以24WCxx为例，这样的对话序列有A/D/C/D/E/F/G共计7种（见下表），可完成目的不同的读写操作。这个“对话序列”组成各不相同，其实很有规律性。下表中：未加方框的，是主控方发送的信息或“帧”；加方框的，表示从器件方发送的信息或“帧” 。
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24WCXX是EPROM(见P199表，它的器件类型码是“1010”，器件地址(片选地址A2/A1/A0)和写保护WP(write protect)由24WCXX芯片引脚上的的电平设定。 片内块数 页/每块 页内字节 片选 / 片内块选地址 可挂接器件数 地址构成 24WC32以后的芯片，片内或片内块的容量24WC01 （1Kbit）128Byte 1 16 8 A2 A1 A0 8 片内7位地址 均超过256单元，地址均24WC02 （2Kbit）256Byte 1 32 16 A2 A1 A0 8 片内8位地址 超过8位，因此，在发送24WC04 （4Kbit）512Byte 2 16 16 A2 A1 P0 4 片内8位地址+ P0块地址码 “写地址控制帧”后，下跟地址帧就需要高地址24WC08 （8Kbit）1KByte 4 16 16 A2 P1 P0 2 片内8位地址+ 2位块地址码 和低8位地址这两个地址9 24WC16 （16Kbit）2KByte 8 16 16 P2 P1 P0 1 片内8位地址＋3位块地址码 帧。 24WC32 （16Kbit）4KByte 1 128 32 A2 A1 A0 8 片内12位地址 表中Pi 的含义是片内的块选地址码，由引脚24WC64 （64Kbit）8KByte 1 256 32 A2 A1 A0 8 片内13位地址 上的高低电平设定。 24WC128 （128Kbit）16KByte 8 32 64 P2 P1 P0 1 片内11位地址＋3位块地址码 24WC256 （256Kbit）32KByte
1 512 64 － A1 A0 4 片内15位地址 IC总线补充资料
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主控器对CAT24WCXX进行写操作的对话序列 指定地址，单字节写 S、器件类型、器件地址、R/W0 主控器对CAT24WCXX进行读操作的对话序列 A B 指定地址，页内多字节写 S、器件类型、器件地址、R/W0 主控方查询及应答 S、器件类型、器件地址、R/W0 C D 当前地址 单字节读 S、器件类型、器件地址、R/W1 E 当前地址 页内多字节读 S、器件类型、器件地址、R/W1 F 指定地址， 单字节读 S、器件类型、器件地址、R/W0 G 指定地址，页内多字节读 S、器件类型、器件地址、R/W0 1 2 3 ACK 指定器件内地址8位 ACK 指定器件内地址8位 要写入的数据8位 ACK ACK应答表示24WC已ACK NACK (紧接着，主控方发送) P ACK ACK (从器件继续提供读出数据) 下一个地址单元数据8位 ACK ACK ACK NACK ACK 指定器件内地址8位 ACK 写入数据8位 ACK 经完成内部擦写过程。 S、器件类型、器件地址、R/W0 当前地址单元数据8位 当前地址单元数据8位 指定器件内地址8位 ACK Sr、器件类型、地址、R/W1 ACK ACK 下一个写入数据8位 下一个写入数据8位 NACK 非应答NACK，表示24WC正在进行内部擦写，不能Sr、器件类型、地址、R/W1 ACK 下一个地址单元数据8位ACK ACK (从器件继续提供读出的数据) 下一个地址单元数据8位 4 （在P后，从器件才开始内部擦和写操作） (紧接着,主器件方发送) P ( 主控方继续提供写入数据) 当前地址单元数据8位 当前地址单元数据8位 ACK 响应其它操作。 ACK 24WCXX内部的擦写过程需要时间，一般不超过10ms，典型时间5ms。在内部擦写期间，禁止数据地址的读写，但可以接受并回应主器件的查询。 因此，主控方要继续进行读写操作，需要先查询。 所谓主控方的查询，其实就是试探发送一个“写控制帧”，以24CW的应答位来判断它的状态罢了。 ACK 下一个地址单元数据8位（如果读完，不再读了，主控方就要回应） NACK 5 (紧接着，主控方发送) P (如读完主控方就) NACK (紧接着，主控方发送) P 6 继续向页内写入下一个单元的数据，究竟可以连续写入多少个单元，要受页内大小的制约。 (如果写完，主控方应发送) (紧接着，主控方再发送) P 所谓“当前地址”，就是“默认地址”，就是在本次操作前，已经在24CW中指定的地址。 P 注意：Sr是插入在会话中的又一个开始位，是重开始位，Sr与S信号的形式完全一样，毫无二致。 为什么要发Sr？ 因为前面发送了一个写控制帧，并随后写入了指定地址值。但紧接着需要对24CW中指定的地址单元进行读操作，因此还要向24CW从器件发一个读控制帧，凡发送一个IIC通信的控制帧，必须拼装开始信号S。 在主控方发送P后，从器件才开始内部的擦写操作 阴影部分和左边“A”和“B”会话序列的前二行一样，是读取字节的指定地址的“写操作”，但后续行不一样了。
IC总线补充资料
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IC总线时序图表（时序图中显示了两个不完整的“基本单位”）
什么是时序图？数字电路系统中，在统一时间坐标轴上（也许隐含），对多个数字信号波形图所作的集成二维图示。
所谓二维：在X（左右）方向上能反映数字信号随时间进程的变化；Y（上下）方向上可以在各时间断面上反映各数字信号之间的关系。
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⑦总线空闲时间
③
⑤
⑩SCL和SDA下降时间
⑨
②开始位保持时间
⑧ ②开始位保持时间 参数的意义 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ④ ①开始位准备时间 标准模式S 参数指标 参数符号 最小值 最大值 0 4.7 4 4.7 4 250 4 4.7 5 100 1000 300 0.1Vcc 0.2Vcc 快速模式F ⑥停止位建立准备时间 最小值 最大值 单位 KHz μs μs μs μs ns μs μs μs ns ns
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在第五章中的串行通信接口和这里基于IC总线的串行通信学习中，我们先后采用了两种不同的学习方法：“不打开”的和“打开”的方法。在这里，我们具体到每一个“位传输”过程的
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干预，甚至干预到“提前多少时间建立准备好数据”、“数据保持多少时间”这样精细的程度，是一种“打开”的方法。这是因为89C51没有IC总线通信模块，我们不得不以编程方式来模
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拟实现IC协议所致。这里，我们从初步认识IC协议、学习时序图的精细规定，学习精细的底层操作，尤其是培养了一份耐心。在今后的工作学习中，我们要辩证地掌握和使用这两种学习方法，特别在“知识爆炸”的今天，注意以“不打开”、“拿来主义”、“知识模块化平台化”为特征的“工程化学习方法”。这是何立民教授、周立功董事长告诫我们的。
fSCL SCL时钟频率 tSU;STA 开始位建立(准备)时间 tHD;STA 开始位保持时间 tLOW SCL低电平保持时间 tHIGH SCL高电平保持时间 tSU;DAT 数据建立(准备)时间 tSU;STO 停止位建立(准备)时间 停止位和开始位之间的总线空闲时间 tBUF tHD;DAT 数据保持时间 tr SDA和SCL信号上升时间 tf SDA和SCL信号下降时间 每个连接的器件低电平时的噪声容限 0.1Vcc 每个连接的器件高电平时的噪声容限 0.2Vcc 0 0.6 0.6 1.3 0.6 100 0.6 1.3 0 20 20 400 0.9 300 300
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附录第 页 45． } 软件环境: Keil uVision 4.10 46．} 硬件环境: CT107单片机综合实训平台(Fosc=12MHz) /***** 在I2C总线发送一个字节数据⑤ *****/ 日 期: 2011-8-9 ******/ /**入口条件：IIC总线控制权必须在单片机，且SCL＝0，以2/*****这是“工信部长天杯”竞赛提供的IC总线驱动程序包：由便SDA建立更新数据。**/ 22IC.C源程序文件和IC. h头文件两个文件构成： 47．void IIC_SendByte(unsigned char byt) 2源程序文件中含6个关于IC通信的基础函数，每一个函数48．{ unsigned char i; 都不能完成一个完整的IIC通信，所以叫“基础操作”。但借助49． for(i=0;i<8;i++) 2它们，根据IC总线上某器件的具体规定（比如24C02，P8591），50． { 2有序组织这些基础函数，进行相应的IC“交互通信序列”，就可51． if(byt&0x80) //如果byt的位8是1，就… 以实现我们需要的读写操作。我们要学习和掌握如何调用这些基52． { 础接口函数，来实现我们的目的。 ******/ 53． SDA = 1; //向SDA发送1 2/*****以下，是单片机作为IC总线的单主控方，以模拟方式进54． } 2行IC通信基础操作的C源程序“IIC.C”文件 *****/ 55． else //否则… 1．#include \"iic.h\" //文件iic.h见后面 56． { /***** 发送IIC总线启动信号的函数 ① *****/ 57． SDA = 0; //向SDA发送0 /**入口条件：单片机作为主控方，必须掌握IIC总线控制权：58． } 因为本函数既要操作SCL，也要操作SDA****/ 59． somenop; //数据建立了,要保证时间⑤,才能… 2．void IIC_Start(void) 60． SCL = 1; 3．{ SDA = 1; 61． byt <<= 1; // 4． SCL = 1; //这是初始状态，见时序图 62． somenop; //保证时间④，才能… 5． somenop; //延时，保证时间① 63． SCL = 0; //给SDA提供下一次更新数据的条件 6． SDA = 0; //SDA↓，发出开始信号S 64． } 7． somenop; //保证时间②，才能… 65 ． } 28． SCL = 0; //注意这个出口状态 /***** 从IC总线上接收一个字节数据⑥ *****/ 9．} /****入口条件：必须放弃SDA控制权（即SDA口线＝1），让从器件控/***** 发送总线停止信号的函数 ② *****/ 制SDA。必须SCL＝0，以便从器件在SDA上建立更新数据。****/ /**入口条件：IIC总线控制权必须在单片机，原因同上。**/ 66．unsigned char IIC_RecByte(void) 10．void IIC_Stop(void) 67．{ unsigned char da; 11．{ SDA = 0; 68． unsigned char i; 12． SCL = 1; 69． for(i=0;i<8;i++) 13． somenop; //保证时间⑥，才能… 70． { SCL=1; 14． SDA = 1; //SDA↑，发出停止信号P 71． somenop; //保证时间④ 15．} //注意出口条件 72． da <<= 1; 73． if(SDA) da |= 0x01; 发送应答位的函数 ③ *****/ /***** //读取SDA上的1，拼装在da的位0上。否则不… /**入口条件：IIC总线控制权必须在单片机。而且必须SCL＝0，74． SCL=0; 此时SDA才可以建立或更新数据。注意形参ackbit **/ 75． somenop; //保证时间⑧ 16．void IIC_Ack(bit ackbit) /**** 提供延时，以保证从器件的SDA保持时间⑧。另外，17．{ if(ackbit) 也需要保证从器件下一个SDA的建立时间⑤（0.25μs）。在下一轮18． { SDA = 0; //发应答信号 的for语句头中，将执行i++和i<8判断等操作，对IIC总线时序而言，20． } 客观上也延了一些时间。 ****/ 21． else 76． } 22． { SDA = 1; //或，发非应答信号 77． return da; //将所得的da返回主调函数 24． } 78．} 25． somenop; //数据建立后，保证时间⑤，才能… /*******以下是IIC.H文件：**********/ 26． SCL = 1; 1．#ifndef _IIC_H /****条件编译：如符号“_IIC_H_ ”未27． somenop; //保证时间④，才能… 被定义，则编译2～15行；否则不编译。 ****/ 28． SCL = 0; 2．#define _IIC_H 29． SDA = 1; //放弃SDA线控制权，归还给从器件 3．#include \"reg52.h\" 30． somenop; //保证时间? 4．#include \"intrins.h\" 31．} //这是C51编译器库函数中“内部函数”原型声明头文件 /***** 接收应答位的函数 ④ *****/ 5．#define somenop /** 入口条件：必须SCL＝0，让从器件在SCL＝0期间建立或{ _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); }更新SDA上的数据。注意函数的返回数据。 **/ //将somenop宏定义为5个空操作语句组，延时。 32．bit IIC_WaitAck(void) 6．#define SlaveAddrW 0xA0 //从器件地址写 33．{ SDA = 1; //放弃SDA线控制权,让给从器件 7．#define SlaveAddrR 0xA1 //从器件地址读 34． somenop; //给从器件提供时间⑤ 8．sbit SDA = P2^1; /* 数据线 */ 35． SCL = 1; 9．sbit SCL = P2^0; /* 时钟线 */ 36． somenop; //保证时间④ //将总线引脚以位变量的名义定义： 37． if(SDA) //如果SDA数据是1,非应答NACK… //以下是“IIC.C”中提供的6个基础函数的函数声明语句： 38． { SCL = 0; 10．void IIC_Start(void); 39． IIC_Stop(); //发送结束信号 11．void IIC_Stop(void); 40． return 0; //返回0，表示NACK 12．void IIC_Ack(bit ackbit); 41． } 13．bit IIC_WaitAck(void); 42． else //否则… 14．void IIC_SendByte(unsigned char byt); 43． { SCL = 0; 15．unsigned char IIC_RecByte(void); 44． return 1; //返回1，表示ACK 16．#endif /******************/ /*程序说明：51单片机模拟操作 I2C总线的驱动程序 I2
C总线补充资料 MCS-51单片机模拟I2C软件包(V1.1) 文件名：VI2C_C51.C 相关文件：VI2C_C51.H，VI2C_C51.LIB 功能说明：本I2C模拟软件包中有5个I2C的基础函数，完成发送数据及接收数据、应答位发送等基础操作；并提供6个直接面对器件的接口函数，很方便的与用户程序连接并可扩展。 注意：函数中采用软件延时的方法产生SCL脉冲，对晶振频率更高的单片机，为保证时序的要求，须作相应修改(本软件包设定晶振频率12MHZ，机器周期是1us)。 本软件包模拟的I2C总线时序符合I2C标准模式，即100Kbit/S。更新时间：2002.06.05 附加说明：这是周立功公司提供的I2C模拟软件包，并非仅仅针对24WCxx器件，而是针对所有I2C总线器件的。软件包中的接口函数4 中所指“无子地址(片内地址)器件”似乎不是说24WCxx存储器。但接口函数4“从无子地址(无片内地址)器件读单字节数据”的函数，仍然可以应用于24WCxx存储器：我们理解为是对24WCxx存储器进行“当前片内地址（即缺省片内地址）的单字节读”操作，即前面的会话序列D。 ****************************/ 1 #include 附录第 页 //主控器读取SDA线上的数据，SDA为1，就给rec最低位赋值1 //如SDA为零，就让rec最低位为0 _nop() ; _nop() ; //保证T③？④？ } SCL=0 ; _nop() ; _nop() ; return(rec) ; //向主调函数返回数据rec } /******主控器向从器件发送ACK或NACK 基础函数五** ****************************************************************/ void ack_i2c(bit a) //形参是位变量a { if(a==0)SDA=0 ; //应答ACK else SDA=1 ; //或否应答NACK nop() ;nop() ;nop() ;nop() ; //保证数据建立时间⑤ SCL=1 ; nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; SDA=0; //发送START nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; // 保证时间②（开始位保持时间） SCL=0 ; // 这是开始信号 nop() ; _nop() ; } /**************主控器发送I2C结束信号 **************** 入口状态：SDA=SCK=0 基础函数2 出口状态：SDA=SCK=1 **************/ void p_i2c(void) { SDA=0 , _nop() ; SCL=1 ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; //保证T⑥（停止位准备时间） SDA=1 ; //发送停止位 _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; _nop() ; //保证T⑦（总线空闲时间） } /*************主控器发送（写）一个字节数据 基础函数3 入口状态：应该是SDA=SCK=0 出口状态：SDA仍然释放，SCL＝0 **************/ void sendbyte(uchar c) { uchar i ; for(i=0 ; i<8 ; i++) { if((c< 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容