5.4兩線串行接口TWI5.4.1TWI主要特點

?簡單，但是強大而靈活的通訊接口，只需要兩根線?支持主機和從機操作?器件可以工作于發送器模式或接收器模式?7位地址空間允許有128個從機?支持多主機仲裁?高達400kHz的數據傳輸率?可以抑制總線尖峰的噪聲抑制器?完全可編程的從機地址以及公共地址?睡眠時地址匹配可以喚醒AVR1、兩線串行接口總線定義

TWI協議允許系統設計者只用兩根雙向傳輸線就可以將128個不同的設備互連到一起。這兩根線一是時鐘SCL，一是數據SDA。外部硬件只需要兩個上拉電阻，每根線上一個。所有連接到總線上的設備都有自己的地址。TWI協議解決了總線仲裁的問題。圖5.9TWI總線的連接表5.5TWI詞匯2、TWI的電氣連接

從圖5.9可以看出，兩根線都通過上拉電阻與正電源連接，TWI兼容的器件的總線驅動都是漏極開路或集電極開路的，TWI器件輸出為“0”時，TWI總線會產生低電平。當所有的TWI器件輸出為三態時，總線會輸出高電平，允許上拉電阻將電壓拉高。注意，為保證所有的總線操作，凡是與TWI總線連接的AVR器件必須上電。3、TWI的傳輸數據(位)

TWI總線上數據位的傳送與時鐘脈沖同步。時鐘線為高時，數據線電壓必須保持穩定，除非在啟動與停止的狀態下。圖5.10數據有效性4、START/STOP狀態

主機啟動與停止數據傳輸。主機在總線上發出START信號啟動數據傳輸，在總線上發出STOP信號停止數據傳輸。在START與STOP狀態之間，需要假定總線忙，不允許其它主機控制總線，特例是在START與STOP狀態之間發出一個新的START狀態。如下所示，START與STOP狀態是在SCL線為高時，通過改變SDA電平來實現的。圖5.11啟動、停止和重啟動狀態5、地址數據包格式

在TWI總線上傳送的地址包均為9位，包括7位地址位、1位READ/WRITE控制位與1位應答位。如果READ/WRITE為1，則執行讀操作；否則執行寫操作。從機被尋址后，必須在第九個SCL(ACK)周期通過拉低SDA作出應答。若該從機忙或有其它原因無法響應主機，則應該在ACK周期保持SDA為高。然后主機可以發出STOP狀態或REPEATEDSTART狀態重新開始發送。地址包包括從機地址與分別稱為SLA+R或SLA+W的READ或WRITE位。6、數據包格式

在TWI總線上傳送的數據包為9位長，包括8位數據位及1位應答位。在數據傳送中，主機產生時鐘及START與STOP狀態，而接收器響應接收。應答是由從機在第9個SCL周期拉低SDA實現的。如果接收器使SDA為高，則發出NACK信號。接收器完成接收，應該在收到最后的字節后發出NACK來告知發送器。圖5.13數據包格式7、將地址包和數據包組合為一個完整的傳輸過程

發送主要由START狀態、SLA+R/W、至少一個數據包及STOP狀態組成，可以利用SCL的線與功能來實現主機與從機的握手。從機延長SCL低電平的時間不會影響SCL高電平的時間，因為SCL高電平時間是由主機決定的。由上述可知，通過改變SCL的占空比可降低TWI數據傳送速度。

圖5.14說明了典型的數據傳送。注意SLA+R/W與STOP之間傳送的字節數由應用程序的協議決定。圖5.14典型的數據傳送8、多主機總線系統，仲裁和同步

TWI協議允許總線上有多個主機。特別要注意的是即使有多個主機同時開始發生數據，也要保證發送正常進行。多主機系統中有兩個問題：

只能允許一個主機完成傳送。當其余主機失去選擇權后應停止傳送，這個過程稱為仲裁。當競爭中的主機發現其仲裁失敗，應立即轉換到從機模式檢測是否被獲得總線控制權的的主機尋址。

不同的主機可能使用不同的SCL頻率。為保證傳送的一致性，必須設計一種同步主機時鐘，這會簡化仲裁過程。圖5.15多主機SCL的同步圖5.16兩主機之間的仲裁5.4.2TWI模塊綜述

TWI模塊由幾個子模塊組成，如圖5.17所示。所有位于粗線之中的寄存器可以通過AVR數據總線進行訪問。圖5.17TWI模塊概述5.4.3總線接口單元

該單元包括數據與地址移位寄存器TWDR，START/STOP控制器和總線仲裁判定硬件電路。(1)TWDR寄存器用于存放發送或接收的數據或地址。除了8位的TWDR，總線接口單元還有一個寄存器，包含了用于發送或接收應答的(N)ACK。

(2)START/STOP控制器負責產生和檢測TWI總線上的START、REPEATEDSTART與STOP狀態。5.4.4地址匹配單元地址匹配單元將檢測從總線上接收到的地址是否與TWAR寄存器中的7位地址相匹配。如果TWAR寄存器的TWI廣播應答識別使能位TWGCE為“1”，從總線接收到的地址也會與廣播地址進行比較。一旦地址匹配成功，控制單元將得到通知以進行正確地響應。5.4.5控制單元：

控制單元監控TWI總線，并根據TWI控制寄存器TWCR的設置作出相應的響應。當TWI總線上產生需要應用程序干預處理的事件時，TWI中斷標志位TWINT置位。在下一個時鐘周期，TWI狀態寄存器TWSR被表示這個事件的狀態碼字所更新。在其它時間里，TWSR的內容為一個表示無事件發生的特殊狀態字。一旦TWINT標志位置“1”，時鐘線SCL即被拉低，暫停TWI總線上的數據傳輸，讓用戶程序處理事件。1、TWI寄存器設置（1）TWI比特率寄存器（TWBR）Bits7..0–TWI比特率寄存器TWBR為比特率發生器分頻因子。比特率發生器是一個分頻器，在主機模式下產生SCL時鐘頻率。（2）TWI控制寄存器（TWCR）Bit7–TWINT:TWI中斷標志Bit6–TWEA:使能TWI應答Bit5–TWSTA:TWISTART狀態標志Bit4–TWSTO:TWISTOP狀態標志Bit3–TWWC:TWI寫碰撞標志Bit2–TWEN:TWI使能Bit1–Res:保留Bit0–TWIE:使能TWI中斷（3）TWI狀態寄存器（TWSR）Bits7..3–TWS:TWI狀態Bit2–Res:保留Bits1..0–TWPS:TWI預分頻位（4）TWI數據寄存器（TWDR）Bits7..0–TWD:TWI數據寄存器（5）TWI(從機)地址寄存器（TWAR）?Bits7..1–TWA:TWI從機地址寄存器其值為從機地址。?Bit0–TWGCE:使能TWI廣播識別置位后MCU可以識別TWI總線廣播。5.4.6使用TWI

AVR的TWI接口是面向字節和基于中斷的。所有的總線事件，如接收到一個字節或發送了一個START信號等，都會產生一個TWI中斷。 由于TWI接口是基于中斷的，因此TWI接口在字節發送和接收過程中，不需要應用程序的干預。

TWCR寄存器的TWI中斷允許TWIE位和SREG寄存器的全局中斷允許位一起決定了應用程序是否響應TWINT標志位產生的中斷請求。TWI數據傳輸過程中的規則總結如下：

當TWI完成一次操作并等待反饋時，TWINT標志置位。直到TWINT清零，時鐘線SCL才會拉低。

TWINT標志置位時，TWDR寄存器必須載入下一個總線周期中要發送的值。當所有的TWI寄存器得到更新，而且其它掛起的應用程序也已經結束，TWCR被寫入數據。寫TWCR時，TWINT位應為置位狀態。對TWINT寫“1”清除此標志。TWI將開始執行由TWCR設定的操作。1、數據傳輸模式

TWI可工作于4個不同的模式：主機發送器(MT)、主機接收器(MR)、從機發送器(ST)及從機接收器(SR)。同一應用程序可以使用幾種模式。2、主機發送模式在主機發送模式，主機可以向從機發送數據。 為進入主機模式，必須發送START信號。緊接著的地址包格式決定進入MT或MR模式。如果發送SLA+W進入MT模式；如果發送SLA+R則進入MR模式。 本節所提到的狀態字均假設其預分頻位為“0”。圖5.18主機發送模式下的數據傳輸（1）通過在TWCR寄存器中寫入下列數值發出START信號：TWEN必須置位以使能兩線接口TWSTA必須置“1”來發出START信號TWINT必須置“1”來對TWINT標志清零

TWI邏輯開始檢測串行總線，一旦總線空閑就發送START。接著中斷標志TWINT置位，TWSR的狀態碼為0x08。（2）為進入MT模式，必須發送SLA+W，可對TWDR寫入SLA+W來實現。完成此操作后軟件清零TWINT標志，TWI傳輸繼續進行。 在TWCR寄存器中寫入下述值完成此操作：當SLA+W發送完畢并接收到確認信號，主機的TWINT標志再次置位。 此時主機的TWSR狀態碼可能是0x18、0x20或0x38。 SLA+W發送成功后可以開始發送數據包，通過對TWDR寫入數據實現。

（3）TWDR只有在TWINT為高時方可寫入。否則，訪問被忽略，寄存器TWCR的寫碰撞位TWWC置位。 TWDR更新后，TWINT位應清零后繼續傳送。 通過對TWCR寄存器中寫入下述值完成操作：（4）這過程會一直重復下去，直到最后的字節發送完且發送器產生STOP或REPEATEDSTART信號。STOP信號通過在TWCR中寫入下述值實現：（5）在REPEATEDSTART(狀態0x10)后，兩線接口可以再次訪問相同的從機，或不發送STOP信號來訪問新的從機。REPEATEDSTART使得主機可以在不丟失總線控制的條件下在從機、主機發送器及主機接收器模式間進行切換。 REPEATEDSTART信號通過在TWCR中寫入下述值實現：表：主機發送模式的狀態碼表

主機發送模式的狀態碼(續表)典型數據傳輸中應用程序與TWI的接口（數據手冊P171）3、主機接收模式

在主機接收模式，主機可以從從機接收數據。 為進入主機模式，必須發送START信號。緊接著的地址包格式決定進入MT或MR模式。如果發送SLA+W進入MT模式；如果發送SLA+R則進入MR模式。

表：主機接收模式的狀態碼表

主機接收模式的狀態碼(續表)4、從機發送模式如圖5.20：從機發送模式下的數據傳輸（1）啟動從機發送模式，TWAR與TWCR設置：（2）前7位是主機尋址時從機響應的TWI接口地址。若LSB置位，則TWI接口響應廣播地址0x00。否則忽略廣播地址。TWEN必須置位以使能TWI接口。TWEA也要置位以便主機尋址到自己(從機地址或廣播)時返回確認信息ACK。TWSTA和TWSTO必須清零。初始化TWAR和TWCR之后，TWI接口即開始等待，直到自己的從機地址(或廣播地址，如果TWAR的TWGCE置位的話)出現在主機尋址地址當中，并且數據方向位為“1”(讀)。然后TWI中斷標志置位，TWSR則包含了相應的狀態碼。

如果在傳輸過程中TWEA復位，TWI接口發送完數據之后進入狀態0xC0或0xC8。接口也切換到未尋址從機模式，忽略任何后續總線傳輸。從而主機接收到的數據全為“1”。如果主機需要附加數據位(通過發送ACK)，即使從機已經傳送結束，也進入狀態0xC8。

TWEA復位時TWI接口不再響應自己的從機地址，但是會繼續監視總線。一旦TWEA置位就可以恢復地址識別和響應。也就是說，可以利用TWEA暫時將TWI接口從總線中隔離出來。

在除空閑模式外的其它休眠模式時，TWI接口的時鐘被關閉。若使能了從機接收模式，接口將利用總線時鐘繼續響應廣播地址/從機地址。地址匹配將喚醒CPU。在喚醒期間，TWI接口將保持SCL為低電平，直至TWCINT標志清零。

當AVR時鐘恢復正常運行后可以發送更多的數據。顯然如果AVR設置為長啟動時間，時鐘線SCL可能會長時間保持低，阻塞其它數據的傳送。當MCU從這些休眠模式喚醒時，和正常工作模式不同的是，數據寄存器TWDR的數據并不反映總線上出現的最后一個字節。表5.9：從機發送模式的狀態碼其他狀態：有兩個狀態碼沒有相應的TWI狀態定義。狀態0xF8表明當前沒有相關信息，因為中斷標志TWINT為“0”。狀態0x00表示在串行傳輸過程中發生了總線錯誤。當START或STOP出現在錯誤的位置時總線錯誤就會發生。這將導致TWI接口進入未尋址從機模式、標志TWSTO被清零(TWCR的其他位不受影響)，以及SDA和SCL被釋放，但是不會產生STOP。表5.10其它狀態碼將幾個TWI模式組合到一起：在某些情況下，為完成期望的工作，必須將幾種TWI模式組合起來。例如從串行EEPROM讀取數據。典型的這種傳輸包括以下步驟：

1.傳輸必須啟動

2.必須告訴EEPROM讀取的位置

3.必須完成讀操作

4.傳送必須結束注意數據可從主機傳到從機，反之也可。首先主機必須告訴讀從機讀取實際的位置，因此需要使用MT模式；然后數據必須由從機讀出，需要使用MR模式，但傳送方向必須改變。在上述步驟中，主機必須保持對總線的控制，且以上各步驟應該自動進行。如果在多主機系統中違反這一規則，即在第二步與第三步之間其它主機改變EEPROM中的數據指針，則主機讀取的數據位置是錯誤的。傳送方向改變是通過在發送地址字節與接收數據之間發送REPEATEDSTART信號來實現的。在發送REPEATEDSTART信號后，主機繼續保持總線的控制權。下圖給出傳送的流程圖（從機讀流程）。幾種TWI模式聯合訪問串行EEPROM多主機系統和仲裁如果有多個主機連接在同一總線上，它們中的一個或多個也許會同時開始一個數據傳送。TWI協議確保在這種情況下，通過一個仲裁過程，允許其中的一個主機進行傳送而不會丟失數據。總線仲裁的例子如下所述，該例中有兩個主機試圖向從接收器發送數據。圖5.22仲裁示例有幾種不同的情況會產生總線仲裁過程：?兩個或更多的主機同時與一個從機進行通信。在這種情況下，無論主機或從機都不知道有總線的競爭。兩個或更多的主機同時對同一個從機進行不同的數據或方向的訪問。在這種情況下，會在READ/WRITE位或數據間發生仲裁。主機試圖在SDA線上輸出一個高電平時，如果其他主機已經輸出“0”，則該主機在總線仲裁中失敗。失敗的主機將轉換成未被尋址的從機模式，或等待總線空閑后發送一個新的START信號，這由應用程序決定。?兩個或更多的主機訪問不同的從機。在這種情況下，總線仲裁在SLA發生。主機試圖在SDA線上輸出一個高電平時，如有其它主機已經輸出“0”，則該主機將在總線仲裁中失敗。在SLA總線仲裁失敗的主機將切換到從機模式，并檢查自己是否被獲得總線控制權的主機尋址。如果被尋址，它將進入SR或ST模式，這取決于SLA的READ/WRITE位的值。如果它未被尋址，將轉換到未被尋址的從機模式或等待總線空閑，發送一個新的START信號，這由應用程序決定。例5.14在讀方式下往從器件寫入一個地址字節。voidf_I2cWriteAdd_R(unsignedcharuc_I2CAdd)//寫從器件地址和讀方式{TWDR=(uc_I2CAdd);TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN)；//寫數據到TWDRwhile(!(TWCR&(1<<TWINT);if(TWSR&0xf8!=0x40)error();}例5.15往從器件寫入一個數據字節。voidf_I2cWriteData_R(unsignedcharuc_I2CData)//寫從器件數據{TWDR=(uc_I2CData);TWCR=(1<<TWINT)|(1<<TWEN)//寫數據到TWDRwhile(!(TWCR&(1<<TWINT);if(TWSR&0xf8!=0x28)error();}例5.16讀從器件，返回節