I2C学习：传输速率

news2024/9/22 22:28:26

一．内容简介

I2C总线根据传输速度不同，可以划分为5种速度模式，见下列表格。

速度模式	最高速率	备注
标准模式Sm	100Kbps	双向传输向下兼容
快速模式Fm	400Kbps
快速模式增强Fm+	1Mbps
高速模式HSm	3.4Mbps
超快速模式UFm	5Mbps	单向传输，不兼容其他模式

1. 标准模式

标准模式下，I2C总线的运行速度限制在100Kbps以内，主要使用场景包括传感器读取、设备控制、数据存储以及扩展接口等。

标准模式的I2C总线，除了作为I2C总线以外，还兼容了CBUS总线、SMBUS总线、PMBUS总线、IPMI接口、ATCA通信、DDC通信等作用，详细内容不在此阐述。

2. 快速模式

快速模式下，I2C总线最高速度可达400Kbps，通过延长SCL信号的低电平周期，减缓传输，向下兼容低速模式。

与标准模式相比，快速模式I2C总线规范具有以下附加特性。

最大速率达到400Kbps；
对I2C时序做了调整，不再需要与CBUS、SMBUS等总线系统兼容。
输入端集成了尖峰抑制和施密特触发器；
输出缓冲器对SDA和SCL信号的下降沿有斜率控制功能；
快速模式器件的电源关闭时，SDA和SCL的I/O引脚必须悬空，以免影响总线；
连接到总线的外部上拉器件必须适用快速模式I2C总线较短的最大允许上升时间。对于高达200pF的总线负载，每条总线的上拉器件可以是一个电阻，对于200pF~400pF的总线负载，上拉器件可以是电流源或开关电阻电路；

3. 快速模式增强

快速模式增强设备提高了I2C总线传输速度和总线总容量，速度可达1Mbps，可以完全向下兼容快速和标准模式器件，与快速或标准模式系统的串行总线协议和数据格式相同。

与快速或标准模式器件相比，快速模式增强器件还提供更高的驱动电流，无需使用总线缓冲器即可驱动更长，负载更重的总线。

4. 高速模式

高速模式速度达到3.4Mbps，对于混合速度总线系统中的双向通信，可以向下兼容快速模式增强、快速模式和标准模式器件，除了在高速模式传输期间不执行仲裁和时钟同步之外，与快速模式和标准模式系统保持相同的串行总线协议和数据格式。

为了实现3.4Mbps的传输速率，对常规的I2C总线规范进行了以下改进：

高速模式主机设备具有一个用于SDAH信号的开漏输出缓冲器，并在SCLH输出端集成了开漏下拉和电流源上拉电路。这个电流源电路缩短了SCLH信号的上升时间。任何时候只有一个主机的电流源被使能，并且仅在高速模式下；
在多主机系统中，高速模式传输期间不执行仲裁或时钟同步，从而提高位处理能力；
高速模式主机器件产生一个高低比为1:2的串行时钟信号。这减轻了对建立和保持时间的时序要求。
作为一个选项，高速模式主机器件可以有一个内置的桥梁。在高速模式传输期间，高速模式器件的高速数据SDAH和高速串行时钟SCLH线通过该桥与快速/标准模式的SDA和SCL线分开。这降低了SDAH和SCLH线的容性负载，从而加快了上升和下降时间。
高速模式，快速模式以及标准模式从机设备之间的唯一区别是它们运行的速度。高速模式从机在SCLH和SDAH输出端具有开漏输出缓冲器。SCLH引脚上的可选下拉晶体管可用于延长SCLH信号的低电平（时钟拉伸），时钟拉伸仅允许在高速模式传输的应答位之后进行。
高速模式器件的输入在SDAH和SCLH输入端集成了尖峰抑制和施密特触发器；
高速模式器件的输出缓冲器集成了SDAH和SCLH信号下降沿的斜率控制。

图1为高速模式设备的I2C总线配置。控制器上的SDA和SCL引脚仅在混合速度总线系统中使用，在纯高速模式系统重不连接，在这种情况下，这些引脚可以用于其他功能。可选串联电阻Rs保护I2C总线设备的I/O口免受总线线路上高压尖峰的影响，并最大限度地减少振铃和干扰。

当总线空闲时，上拉电阻Rp将SDAH和SCLH线保持在高电平，并确保信号在所需的上升时间内从低电平上拉至高电平。对于较高容性总线负载（>100pF），可以用外部电流源上拉电阻代替电阻Rp，以满足上升时间要求。除非有应答位，否则高速传输中SCLH时钟脉冲的上升时间会被主机设备的内部电流源上拉电路MCS缩短。