1、I2C總線簡介

I2C((Inter－Integrated Circuit bus))總線是一種由飛利浦公司開發的串行總線，產生于上個世紀80年代，最初為音頻和視頻設備開發，現已廣泛應用到通信、計算機、工業控制、多媒體等多個行業，主要作為設備管理承載使用。它由兩條串行線（一條地址線和一條時鐘線）構成總線網絡，用于連接微控制器及低速的外圍設備通信。I2C總線包括一個兩端接口，通過一個帶有緩沖區的接口，數據可以被I2C發送或接受。利用I2C技術可以對連接在總線的所有部件進行集中管理，可隨時監控風扇、內存、硬盤、網絡、系統溫度等多個參數，增加了系統的安全性，方便了管理。主要的優點是其簡單性和有效性。圖1是 I2C總線架構示意圖。

圖1   I2C 總線架構

I2C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，傳送速率從100kbps到最高3.4Mbps。各種被控制電路均并聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，地址碼用來選址，即接通需要控制的IC部件，確定總線上哪個部件需要接收數據；同時發送端設備（CPU或外設）還要發出“讀”或“寫”的操作指示，以及具體的消息內容。I2C協議的報文內容可分成以下幾部分：

       * 開始位--Start Bit

      *  地址 -- Address ：7 或 10比特

      *  讀/寫標志位-- Read/Write Bit：

         指示數據方向

         讀 = 數據從從設備讀到主設備

        寫 = 數據從主設備寫到從設備

     *  確認位 -- Acknowledge Bit

     *  字節數據 -- Data Byte(s)

除EEPROM數據讀/寫外，通常數據長度都<=4

       * 重啟動位 -- ReStart Bit

出現在組合的讀/寫消息內容中

      *  停止位 -- Stop Bit

下圖2是7位和10位兩種地址長度的 I2C協議幀結構。

圖2  7位和10位兩種地址長度的 I2C協議幀結構

2、I2C總線測試的需求

       工程師對I2C總線測試和分析的需求主要涵蓋以下三個方面：

2.1 了解總線正在發生什么

軟件工程師設計了I2C主控設備發出的消息內容，但硬件工程師需要確定消息是不是被準確無誤的傳送到物理線路上，需要了解總線上真正在發生什么。傳統的使用示波器的方式是先用探頭把信號捕獲下來，然后根據電平特點轉換成“1”或“0”，然后再去對比I2C協議，將其還原成有意義的消息幀。這種方式費時費力，對工程師的業務能力要求很高，而且儀器使用效率很低。工程師需要儀器能提供一種自動化的方式，直接將采集到的波形翻譯成容易識別的內容，再根據不用類別工程師的需求，以不同的方式動態顯示在儀器屏幕上。比如硬件工程師可能希望以二進制的方式查看I2C消息內容，底層驅動工程師希望以16進制方式分析波形，而應用軟件工程師則希望以ASCII文本的方式去了解總線上實際運行的數據內容

2.2 調試總線上有故障的節點

I2C是由多個節點組成的總線網絡，每一個節點都用唯一的地址符加以識別。主控設備發出的消息會被總線上所有節點接收到，但只有目標地址和本節點匹配的消息才會被該節點送入上層軟件接口處理，因此當某個特點的節點出了故障，或我們僅對該節點收發的數據感興趣時，我們希望僅觀測到目標地址為該節點的 I2C消息幀，而忽略其他地址節點的信息。

       工程師可能還面臨這樣一種情況：我不清楚I2C總線上有無故障節點，或不清楚是哪個節點收發數據有誤，但我希望一旦總線上有出錯狀態時，我能立即定位到故障來源。

2.3 分析EEPROM內存單元的有效性

EERPOM是在各類系統單板上廣泛使用的存儲器件，主要作用是存儲系統上電時需要導入的信息，比如主內存地址、容量、模式，CPU初始化狀態等，EEPROM器件一般都采用I2C總線與CPU建立通信傳遞數據。當讀寫EEPROM配置信息出錯的情況下，我們就不僅僅需要知道是哪片EEPROM出問題，更有意義的是要深入到器件內部，定位具體是哪個地址單元出了問題，是讀數據過程中有問題還是寫數據過程中有問題。

3、力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" title="力科示波器">力科示波器" 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廣大工程師用戶日益需要能處理各種通用測量任務、同時又能滿足分析 I2C總線等低速串行總線的專用需求、且符合有限預算的解決方案，力科基于Windows操作系統的全系列示波器產品滿足了這些需求，這些系列包括WaveSurfer Xs、WaveRunner Xi、WavePro 7Zi和WaveMaster 8Zi，這些產品一個很重要的的應用方面就是調試串行總線。示波器不僅要能測量信號電平、頻率等常規項目，還要能提供專門的軟件包以更深入分析和調試I2C總線。

　　力科 I2C測試軟件包主要包括三大功能，完全涵蓋了嵌入式開發工程師分析I2C的以上需求，分別是總線協議解碼、總線觸發和EEPROM內存單元調試。

3、1  總線觸發

在力科示波器界面下進入菜單項“Trigger”->”Serial Data”->”I2C”，彈出的界面中允許用戶按照特定的模式去觸發I2C消息幀，如下圖3所示。比如你只關心地址為0x20節點上讀寫的數據，那就可以設置以”地址”方式觸發；或者你希望看到所有幀長度為4的I2C消息，那就可以設置以“幀長度”為觸發方式；更復雜的情況是既要隔離特定地址的消息，還要隔離該地址節點上接收到的特定數據內容，那就可以設置”地址+數據”。

       “No Ack”觸發方式提供給用戶專門捕獲總線出錯狀態，通過這種方式，工程師可以快速定位到有故障的節點和出錯狀態。

圖3 力科示波器 I2C軟件包設置觸發界面

3、1 總線協議解碼

在力科示波器界面下進入菜單項“Analysis”->”Serial Decode”->”I2C”，用戶對總線正在傳輸的數據內容進行實時解碼，解碼后的內容能選擇以“二進制”、“十六進制”和“ASCII”三種方式直接顯示在波形上方。由于I2C消息由多個協議字段組成，因此解碼時軟件會自動地把不同的協議字段以不同的顏色框加以標準，比如地址字段是紅色框，而數據字段則對應成藍色框，如下圖4所示

圖4 I2C總線解碼

一種更直觀的方式以表格化形式列出全部捕獲到消息幀的所有協議字段，然后用戶可以根據需要單獨方法顯示表格中特定的消息幀，如下圖5所示。

圖5 表格顯示 I2C協議幀結構數據

3、3 EERPOM調試

力科I2C 軟件包專門提供 EERPOM內存單元地址的觸發方式，以滿足工程師升入調試EEPROM器件的需求。在這種情形下，不僅需要設置器件作為 I2C節點的地址符，還要設置器件內部某個具體內存單元的地址。完成這些設置后，觸發顯示在示波器屏幕上的波形即使該內存單元上讀寫的數據內容。如下圖6所示。

圖6  I2C軟件包調試EEPROM界面