簡(jiǎn)談 IIC總線

大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時(shí)間了，今天咱們來聊一聊 IIC 總線設(shè)計(jì)。



一、概述：
IIC 是Inter-Integrated Circuit的縮寫，發(fā)音為"eye-squared cee" or "eye-two-cee" , 它是一種兩線接口。
IIC 只是用兩條雙向的線，一條 Serial Data Line (SDA) ，另一條Serial Clock (SCL)。
SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動(dòng)EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。(邊沿觸發(fā))
SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成"線與"關(guān)系。

二、輸出級(jí)




每一個(gè)I2C總線器件內(nèi)部的SDA、SCL引腳電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，引腳的輸出驅(qū)動(dòng)與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開路的場(chǎng)效應(yīng)管，輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器，這種電路具有兩個(gè)特點(diǎn)：
1)由于SDA、SCL為漏極開路結(jié)構(gòu)(OD)，因此它們必須接有上拉電阻,阻值的大小常為 1k8, 4k7 and 10k ，但1k8 時(shí)性能最好；當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線"與"關(guān)系。
2)引腳在輸出信號(hào)的同時(shí)還將引腳上的電平進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否與剛才輸出一致，為"時(shí)鐘同步"和"總線仲裁"提供了硬件基礎(chǔ)。

三、主設(shè)備與從設(shè)備

系統(tǒng)中的所有外圍器件都具有一個(gè)7位的"從器件專用地址碼"，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由使用者定義。主控器件通過地址碼建立多機(jī)通信的機(jī)制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個(gè)器件，其系統(tǒng)仍然為簡(jiǎn)約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端必須是帶有CPU的邏輯模塊，在同一總線上同一時(shí)刻使能有一個(gè)主端，可以有多個(gè)從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容 400pF的限制。

* 主端主要用來驅(qū)動(dòng)SCL line；
* 從設(shè)備對(duì)主設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)；

二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備控制的。

四、速率：

普通模式：100kHz；
快速模式：400kHz；
高速模式：3.4MHz；
沒有任何必要使用高速SCL，將SCL保持在100k或以下，然后忘了它吧。



時(shí)序部分：

1.空閑狀態(tài)

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

2.起始位與停止位的定義：

* 起始信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。
* 停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

3.ACK
發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。 對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。 如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。



如下圖邏輯分析儀的采樣結(jié)果：釋放總線后，如果沒有應(yīng)答信號(hào)，sda應(yīng)該一直持續(xù)為高電平，但是如圖中藍(lán)色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應(yīng)答信號(hào)。

這里面給我們的兩個(gè)信息是：
1)接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；
2)應(yīng)答信號(hào)一直保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識(shí)所指出的那樣。



4.數(shù)據(jù)的有效性：
IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。

我的理解：雖然只要求在高電平期間保持穩(wěn)定，但是要有一個(gè)提前量，也就是數(shù)據(jù)在SCL的上升沿到來之前就需準(zhǔn)備好，因?yàn)樵谇懊鍵2C總線之(一)---概述一文中已經(jīng)指出，數(shù)據(jù)是在SCL的上升沿打入到器件(EEPROM)中的。



5.數(shù)據(jù)的傳送：
在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。



工作過程

總線上的所有通信都是由主控器引發(fā)的。在一次通信中，主控器與被控器總是在扮演著兩種不同的角色。

1.主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

主設(shè)備發(fā)送起始位，這會(huì)通知總線上的所有設(shè)備傳輸開始了，接下來主機(jī)發(fā)送設(shè)備地址，與這一地址匹配的slave將繼續(xù)這一傳輸過程，而其它slave將會(huì)忽略接下來的傳輸并等待下一次傳輸?shù)拈_始。主設(shè)備尋址到從設(shè)備后，發(fā)送它所要讀取或?qū)懭氲膹脑O(shè)備的內(nèi)部寄存器地址； 之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送停止位：

寫入過程如下：

發(fā)送起始位
* 發(fā)送從設(shè)備的地址和讀/寫選擇位；釋放總線，等到EEPROM拉低總線進(jìn)行應(yīng)答；如果EEPROM接收成功，則進(jìn)行應(yīng)答；若沒有握手成功或者發(fā)送的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)EEPROM不產(chǎn)生應(yīng)答，此時(shí)要求重發(fā)或者終止。
* 發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器地址；EEPROM對(duì)其發(fā)出應(yīng)答；
* 發(fā)送數(shù)據(jù)
* 發(fā)送停止位.
* EEPROM收到停止信號(hào)后，進(jìn)入到一個(gè)內(nèi)部的寫入周期，大概需要10ms，此間任何操作都不會(huì)被EEPROM響應(yīng)；(因此以這種方式的兩次寫入之間要插入一個(gè)延時(shí)，否則會(huì)導(dǎo)致失敗)



詳細(xì)：

需要說明的是：①主控器通過發(fā)送地址碼與對(duì)應(yīng)的被控器建立了通信關(guān)系，而掛接在總線上的其它被控器雖然同時(shí)也收到了地址碼，但因?yàn)榕c其自身的地址不相符合，因此提前退出與主控器的通信；

2.主控器讀取數(shù)據(jù)的過程：
讀的過程比較復(fù)雜，在從slave讀出數(shù)據(jù)前，你必須先要告訴它哪個(gè)內(nèi)部寄存器是你想要讀取的，因此必須先對(duì)其進(jìn)行寫入(dummy write)：

發(fā)送起始位；
* 發(fā)送slave地址+write bit set；
* 發(fā)送內(nèi)部寄存器地址；
* 重新發(fā)送起始位，即restart；
* 重新發(fā)送slave地址+read bit set；
* 讀取數(shù)據(jù)
* 主機(jī)接收器在接收到最后一個(gè)字節(jié)后，也不會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)。于是，從機(jī)發(fā)送器釋放SDA線，以允許主機(jī)發(fā)出P信號(hào)結(jié)束傳輸。
* 發(fā)送停止位

詳細(xì)：



今天就聊到這里，各位，加油。