IIC总线详解

tech2022-10-24  121

一、IIC 基础概念

物理层: 1.一个I2C总线中可连接多个I2C通信设备,支持多个主机及多个从机。

2.两线制:一条双向串行通信的数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL)数据线用来表示数据,时钟线用来同步数据收发。

3.每个连接到总线的设备都有一个独立的地址,主机利用这个地址对设备进行访问。

4.总线通过上拉电阻接到电源(2~15V)。当 I2C 设备空闲时,会输出高阻态,而当所有设备都空闲,都输出高阻态时,由上拉电阻把总线拉成高电平。

为什么要有上拉电阻?(在大多数情况下,由于I2C接口采用Open Drain(开漏)机制,器件本身只能输出低电平,无法主动输出高电平,只能通过外部上拉电阻RP将信号线拉至高电平。因此I2C总线上的上拉电阻是必须的,)

5.多个主机同时使用总线时,为了防止数据冲突,会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

6.具有三种传输模式:标准模式传输速率为 100kbit/s ,快速模式为 400kbit/s ,高速模式下可达 3.4Mbit/s,但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。

7.连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。

8.半双工方向同步通信。

协议层: 1.I2C的基本读写过程

(1)起始信号产生后,所有从机就开始等待主机紧接下来广播 的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。 在 I2C 总线上,每个设备的地址都是唯一的, 当主机广播的地址与某个设备地址相同时,这个设备就被选中了,没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据 I2C 协议,这个从机地址可以是 7 位或 10 位。

(2)在地址位之后,是传输方向的选择位,该位为 0 时,表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机,即主机向从机写数据。该位为 1 时,则相反,即主机由从机读数据。从机接收传输方向选择位后,主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号,只有接收到应答信号后,主机才能继续发送或接收数据。

(3)写数据:若配置的方向传输位为“ 写数据”方向,即图23-2的情况。 广播完地址,接收到应答信号后, 主机开始正式向从机传输数据(DATA),数据包的大小为 8 位,主机每发送完一个字节数据,都要等待从机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以向从机传输 N 个数据,这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时,主机向从机发送一个停止传输信号§,表示不再传输数据。

(4)读数据:若配置的方向传输位为“ 读数据”方向,即图23-3的情况。 广播完地址,接收到应答信号后, 从机开始向主机返回数据(DATA),数据包大小也为 8 位,从机每发送完一个数据,都会等待主机的应答信号(ACK),重复这个过程,可以返回 N 个数据,这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时,就向从机返回一个非应答信号(NACK),则从机自动停止数据传输。

(5)读和写数据:除了基本的读写, I2C 通讯更常用的是复合格式,即图23-4的情况。该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中,主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后,发送一段“数据”,这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别);在第二次的传输中,对该地址的内容进行读或写。也就是说,第一次通讯是告诉从机读写地址,第二次则是读写的实际内容。

2.通信的起始和停止信号

当SCL线是高电平时,SDA从高电平向低电平切换,表示通信的起始。当SCL是高电平时,SDA线由低电平向高电平切换,表示通信的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

3.数据有效性

SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时,SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效,即此时的SDA为高电平时表示数据“1”,低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时,SDA数据无效,一般在这个时候SDA进行电平切换,为下一次表示数据做好准备。每次数据传输都以字节为单位,每次传输的字节数不受限制。

4.地址及数据方向

I2C总线上每个设备都有自己的地址,主机发起通信时,通过SDA信号线发送设备地址来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或者10位,实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向,它是数据方向位,第8位或者第11位,该位为“0”时表示主机向从机写数据,该位为“1”时表示主机由从设备读数据。读数据方向时,主机会释放对SDA信号线的控制,由从机控制SDA信号线,主机接收信号;写数据方向时,SDA由主机控制,从机接收信号。

5.响应

响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时,当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后,若希望对方继续发送数据,则需要向对方发送“应答(ACK)”信号,发送方会继续发送下一个数据;若接收端希望结束数据传输,则向对方发送“非应答(NACK)”信号,发送方接收到该信号后会产生一个停止信号,结束信号传输。传输时主机产生时钟,在第9个时钟时,数据发送端会释放SDA的控制权,由数据接收端控制SDA,若SDA为高电平,表示非应答信号(NACK),低电平表示应答信号(ACK)。

IIC 基础概念 IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。IIC总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。

1、 IIC总线的特点 IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上,因此IIC总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺,并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。IIC总线的另一个优点是,它支持多主控(multimastering), 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。

2、IIC总线工作原理

a – 总线构成 IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分:

地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;

控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。

这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。

b – 信号类型

IIC总线在传送数据过程中共有四种类型信号:

1、开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据;

2、结束信号:SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据;

3、数据传输信号:在开始条件以后,时钟信号SCL的高电平周期期问,当数据线稳定时,数据线SDA的状态表示数据有效,即数据可以被读走,开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间,数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。

4、应答信号:接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。 目 前有很多半导体集成电路上都集成了IIC接口。带有IIC接口的单片机有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供IIC接口。

3、总线基本操作 IIC规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变,SCL为高电平的期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

a – 控制字节 在起始条件之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EEPROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。

b – 写操作 写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序。

c – 读操作 读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是:最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作,主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

d – 总线仲裁 主机只能在总线空闲的时候启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最小持续内产生一个起始条件,结果在总线上产生一个规定的起始条件。 当SCL线是高电平时,仲裁在SDA线发生:这样,在其他主机发送低电平时,发送高电平的主机将断开它的数据输出级,因为总线上的电平和它自己的电平不同。 仲裁可以持续多位。从地址位开始,同一个器件的话接着就是数据位(如果主机-发送器),或者比较相应位(如果主机-接收器)。IIC总线的地址和数据信息由赢得仲裁的主机决定,在这个过程中不会丢失信息。

仲裁不能在下面情况之间进行:

1)重复起始条件和数据位; 2)停止条件和数据位; 3)重复起始条件和停止条件。

4、特性总结 IIC肯定是2线的(不算地线)IIC协议确实很科学,比3/4线的SPI要好,当然线多通讯速率相对就快了

IIC的原则是

a – 在SCL=1(高电平)时,SDA千万别忽悠!!!否则,SDA下跳则"判罚"为"起始信号S",SDA上跳则"判罚"为"停止信号P".

b – 在SCL=0(低电平)时,SDA随便忽悠!!!(可别忽悠过火到SCL跳高)

c – 每个字节后应该由对方回送一个应答信号ACK做为对方在线的标志.非应答信号一般在所有字节的最后一个字节后.一般要由双方协议签定.

d – SCL必须由主机发送,否则天下大乱

e – 首字节是"片选信号",即7位从机地址加1位方向(读写)控制.从机收到(听到)自己的地址才能发送应答信号(必须应答!!!)表示自己在线.其他地址的从机不允许忽悠!!!(当然群呼可以忽悠但只能听不许说话)

f – 读写是站在主机的立场上定义的."读"是主机接收从机数据,"写"是主机发送数据给从机.

g-- 重复位主要用于主机从发送模式到接收模式的转换"信号",由于只有2线,所以收发转换肯定要比SPI复杂,因为SPI可用不同的边沿来收发数据,而IIC不行.

h – 在硬件IIC模块,特别是MCU/ARM/DSP等每个阶段都会得到一个准确的状态码,根据这个状态码可以很容易知道现在在什么状态和什么出错信息.

i – 7位IIC总线可以挂接127个不同地址的IIC设备,0号"设备"作为群呼地址.10位IIC总线可以挂接更多的10位IIC设备.

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