I²C協(xié)議

• 物理層
  1. 原理
  2. 總體特征
• 協(xié)議層
  1. 起始和停止條件
  2. 數(shù)據(jù)有效性
  3. 響應(yīng)/應(yīng)答
  4. 尋址
  5. 讀數(shù)據(jù)
  6. 寫數(shù)據(jù)
• 單片機通訊
  1. 軟件模擬
  2. 硬件外設(shè)

（一）物理層

1. 原理

I2C 總線，分別由SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL(串行時鐘線)及上拉電阻組成。

通信原理是通過對SCL和SDA線高低電平時序的控制，來 產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號進行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平。

2. 總體特征

? 連接到總線的器件輸出級必須是漏極開路或集電極開路才能執(zhí)行線與的功能。

? I²C 總線上的每一個設(shè)備都可以作為主設(shè)備或者從設(shè)備，而且每一個設(shè)備都會對應(yīng)一個唯一的地址(可以從I2C器件的數(shù)據(jù)手冊得知)，主從設(shè)備之間就通過這 個地址來確定與哪個器件進行通信。

? I²C 總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達 100kbit/s ，在快速模式下可達 400kbit/s ，在高速模式下可達 3.4Mbit/s ，連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是 400pF 的限制決定。

? I²C 總線上的主設(shè)備與從設(shè)備之間以字節(jié)(8位)為單位進行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。

（二）協(xié)議層

1. 起始和停止條件

I²C協(xié)議規(guī)定，總線上數(shù)據(jù)的傳輸必須以一個起始信號作為開始條件，以一個結(jié)束信號作為傳輸?shù)耐Ｖ箺l件。

起始和結(jié)束信號總是由主設(shè)備產(chǎn)生。

• 總線在空閑狀態(tài) 時，SCL和SDA都保持著高電平，
• 當(dāng)SCL為高而SDA由高到低的跳變，表示產(chǎn)生一個起始條件；
• 當(dāng)SCL為高而SDA由低到高的跳變，表示產(chǎn)生一個 停止條件。
• 在起始條件產(chǎn)生后，總線處于忙狀態(tài)，由本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備獨占，其他I2C器件無法訪問總線；
• 而在停止條件產(chǎn)生后，本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲝脑O(shè)備將釋放總線，總線再次處于空閑狀態(tài)。

2. 數(shù)據(jù)有效性

SDA線上的數(shù)據(jù)必須在SCL的高電平時保持穩(wěn)定。

SDA線的高或低電平狀態(tài)只有在 SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變。

發(fā)送到 SDA 線上的每個字節(jié)必須為 8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制 ，每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位 ，首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（見下圖MSB ）

如果從機要完成一些其他功能后（如中斷）才能接收或發(fā)送下一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié) ，可以使時鐘線 SCL 保持低電平迫使主機進入等待狀態(tài) ，當(dāng)從機準(zhǔn)備好接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)時釋放時鐘線 SCL， 數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。

3. 響應(yīng)

數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)，相關(guān)的響應(yīng)SCL時鐘脈沖由主機產(chǎn)生，在響應(yīng)的時鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放 SDA 線（輸出高阻態(tài)使SDA線被上拉電阻拉高）。在響應(yīng)的時鐘脈沖期間，接收器必須將 SDA 線拉低，使它在這個時鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平。 必須考慮建立和保持時間。

4. 尋址

7位地址格式

在起始條件 S 后 ，發(fā)送了一個從機地址SLAVE ADDRESS， 這個地址共有 7 位，緊接著的第 8 位是數(shù)據(jù)方向位[R/W]， 0 表示寫，1表示讀。接下來的一個bit是應(yīng)答位NACK/ACK，當(dāng)這個幀中前面8bits發(fā)送完后，接收端獲得SDA控制權(quán)，此時接收設(shè)備應(yīng)該在第9個時鐘脈沖之前回復(fù)一個ACK（將SDA拉低）以表示接收正常，如果接收設(shè)備沒有將SDA拉低，則說明接收設(shè)備可能沒有收到數(shù)據(jù)（如尋址的設(shè)備不存在或設(shè)備忙）或無法解析收到的消息，如果是這樣，則由master來決定如何處理（stop或repeated start condition）。

10位地址格式

10 位從機地址是由在起始條件 S 或重復(fù)起始條件 Sr 后的頭兩個字節(jié)組成。

第一個字節(jié)的頭 7 位是 11110XX 的組合 ，其中：最后兩位 XX 是 10 位地址的兩個最高位 MSB

第一個字節(jié)的第 8 位是 R/ W 位， 決定了報文的方向 ：0 表示寫， 1 表示讀。

如果 R/ W 位是 0 則下一個字節(jié)是 10 位從機地址剩下的 8 位；

如果 R/ W 位是 1 則下一個字節(jié)是從機發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)。

仲裁過程

主機只能在總線空閑的時侯啟動傳輸。兩個或多個主機可能在起始條件的最小持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生一個起始條件，結(jié)果在總線上產(chǎn)生一個規(guī)定的起始條件。

當(dāng) SCL 線是高電平時，仲裁在 SDA 線發(fā)生。這樣，在其他主機發(fā)送低電平時，發(fā)送高電平的主機將退出競爭， 因為總線上的電平與它自己的電平不相同。

仲裁可以持續(xù)多位。第一個階段是比較地址位，如果每個主機都嘗試尋址相同的器件，當(dāng)主機作發(fā)送器時仲裁會繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位，當(dāng)主機作接收器時仲裁會繼續(xù)比較響應(yīng)位。

IIC總線的地址和數(shù)據(jù)信息由贏得仲裁的主機決定，因此在仲裁過程中不會丟失信息。

丟失仲裁的主機可以產(chǎn)生時鐘脈沖，直到丟失仲裁的該字節(jié)末尾。

可以看到在起始信號的第3個時鐘周期低電平時，DATA1的SDA輸出高電平，而DATA2向SDA輸出低電平，SDA總線保持低電平，仲裁給到DATA2，即DATA1的主機退出競爭，不再發(fā)送數(shù)據(jù)。DATA1主機贏得仲裁，SDA總線已傳送的數(shù)據(jù)和DATA1發(fā)送的數(shù)據(jù)保持一致。

5. 讀數(shù)據(jù)

7位尋址為例 CPU作為主接收器

第一步，主機發(fā)送一個起始信號S。

第二步，主機發(fā)送7bit從機地址。此處需要注意，發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法發(fā)送7bit數(shù)據(jù)，此處發(fā)送了7bit地址+1bit讀寫選擇位，即發(fā)送7bit+R/W。最低位為1表示讀，為0表示寫。

第三步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

//第四步，主機發(fā)送寄存器地址。
//第五步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。
//第六步，主機再次發(fā)送一個起始信號。
//第七步，主機發(fā)送7bit從機地址，即7bit+R/W。最低位為1表示讀，為0表示寫。
//第八步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

第九步，主機讀取一個字節(jié)(8bit)的數(shù)據(jù)（相當(dāng)于從機發(fā)送一個字節(jié)）。
第十步，CPU產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

//第十一步，讀取一個CRC校驗碼。

第十二步，CPU產(chǎn)生一個NACK無應(yīng)答信號。
第十三步，主機產(chǎn)生一個停止信號。

常規(guī)的使用就是第一、二、三、九、十、十二、十三步。
注釋掉的是單片機集成的硬件IIC配置通信的整個完整的通訊過程。

6. 寫數(shù)據(jù)

CPU作為主發(fā)送器

第一步，主機發(fā)送一個起始信號。

第二步，發(fā)送7bit從機地址。此處需要注意，發(fā)送數(shù)據(jù)時，無法發(fā)送7bit數(shù)據(jù)，此處發(fā)送了7bit地址+1bit讀寫選擇位，即發(fā)送7bit+R/W。最低位為1表示讀，為0表示寫。

第三步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

//第四步，主機發(fā)送寄存器地址，8bit數(shù)據(jù)。
//第五步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

第六步，主機發(fā)送一個字節(jié)（8bit）數(shù)據(jù)。
第七步，從機產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號。

//第八步，主機發(fā)送一個CRC校驗碼，此CRC校驗值為2、4、6步數(shù)據(jù)產(chǎn)生的校驗碼。

第九步，從機既可以發(fā)送一個應(yīng)答信號，也可以發(fā)送一個無應(yīng)答信號。
第十步，主機發(fā)送一個停止信號。

（三）單片機IIC通訊

1. 軟件模擬

CPU與EEPROM通訊為例

相關(guān)函數(shù)：

void I2C_Delay(void);	//延時，以防單片機速度太快void I2C_Start(void);	//起始信號void I2C_Stop(void); 	//終止信號u8 I2C_SendByte(u8 data);	//寫一個字節(jié)u8 I2C_ReadByte(void);	//讀一個字節(jié)void EEPROM_Write(u8 address, u8 data);	//往EEPROM的一個地址寫一個數(shù)據(jù)u8 EEPROM_Read (u8 address);	//讀EEPROM的一個地址的數(shù)據(jù)

stm32軟件模擬配置流程：

1. 初始化GPIO

   • void I2c_Init(void); //初始化GPIO

   • 模擬總線SDA, SCL ，GPIO引腳開漏輸出

2. 寫起始信號函數(shù)

   • void I2C_Start(void); //起始信號

   • SDA, SCL拉高 ， 延時

     • SDA = 1; SCL = 1; delay();

   • SDA由高變低 ， 延時

     • SDA = 0; delay();

   • SCL拉低，延時等待發(fā)送/接收

     • SCL = 0; delay();

3. 寫終止信號函數(shù)

   • void I2C_Stop(void); //終止信號

   • SCL拉低后將SDA拉低 （SCL低電平時SDA可變），延時

     • SCL = 0; SDA = 0; delay();

   • SCL拉高 ， 延時

     • SCL = 1; delay();

   • SDA由低變高 ， 延時

     • SDA = 1; delay();

4. 等待應(yīng)答信號函數(shù)

   • u8 I2C_WaitToAck(void); //讀取器件ACK應(yīng)答

5. 產(chǎn)生/不產(chǎn)生ACK應(yīng)答

   • void I2C_Ack(void);
   • void I2C_NoAck(void);

6. 寫一個字節(jié)

7. 讀一個字節(jié)

//延時static void I2c_Delay(void){    /*CPU主頻72MHz      10: SCL頻率205KHz      7:  SCL頻率347KHz,高電平1.5us,低電平2.87us；      5:  SCL頻率421KHz,高電平1.25us,低電平2.375us；*/    u8 i;    for(i = 0; i < 10; i++);}//起始信號void I2C_Start(void){    I2C_SDA_High();     //SDA=1    I2C_SCL_High();     //SCL=1    I2C_Delay();    I2C_SDA_Low();    I2C_Delay();    I2C_SCL_Low();    I2C_Delay();}//終止信號void I2C_Stop(void){    I2C_SDA_Low();    I2C_SCL_High();    I2C_Delay();    I2C_SDA_High();    I2C_Delay();}//寫一個字節(jié)u8 I2C_SendByte(uint8_t Byte){    uint8_t i;     /* 先發(fā)送高位字節(jié) */    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)    {        if(Byte & 0x80)        {            I2C_SDA_High();        }        else        {            I2C_SDA_Low();        }        I2C_Delay();        I2C_SCL_High();        I2C_Delay();        I2C_SCL_Low();        I2C_Delay();         if(i == 7)        {            I2C_SDA_High();  /* 釋放SDA總線 */        }        Byte <<= 1;      /* 左移一位  */         I2C_Delay();    }}　//讀取一個字節(jié)u8 I2C_ReadByte(void){    uint8_t i;    uint8_t value;     /* 先讀取最高位即bit7 */    value = 0;    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)    {        value <<= 1;        I2C_SCL_High();        I2C_Delay();        if(I2C_SDA_READ())        {            value++;        }        I2C_SCL_Low();        I2C_Delay();    }     return value;}//產(chǎn)生一個ACK應(yīng)答信號void I2C_Ack(void){    I2C_SDA_Low();    I2C_Delay();    I2C_SCL_High();	//cpu產(chǎn)生一個時鐘    I2C_Delay();    I2C_SCL_Low();    I2C_Delay();     I2C_SDA_High();}//產(chǎn)生一個非ACK信號void I2C_NoAck(void){    I2C_SDA_High();    I2C_Delay();    I2C_SCL_High();	//cpu產(chǎn)生一個時鐘    I2C_Delay();    I2C_SCL_Low();    I2C_Delay();}//產(chǎn)生時鐘讀取器件ACK應(yīng)答信號u8 I2C_WaitToAck(void){    u8 redata;     I2C_SDA_High();	//CPU釋放SDA總線    I2C_Delay();    I2C_SCL_High();	//SCL=1此時器件會返回ACK應(yīng)答    I2C_Delay();     if(I2C_SDA_READ())	//CPU讀取SDA口線狀態(tài)    {        redata = 1;    }    else    {        redata = 0;    }    I2C_SCL_Low();    I2C_Delay();     return redata;}  

2. 硬件IIC控制器配置（stm32）

（1）主發(fā)送器

（2）主接收器

（3）配置流程

與EEPROM通訊為例

1. 初始化IIC相關(guān)GPIO
2. 配置IIC外設(shè)的工作模式
3. 編寫IIC寫入EEPROM的函數(shù)
4. 編寫IIC讀取EEPROM的函數(shù)
5. 使用read函數(shù)及write函數(shù)進行讀寫校驗
6. 編寫page write及seq read函數(shù)并校驗（頁寫）

（4）重要函數(shù)

1. IIC初始化結(jié)構(gòu)體

typedef struct{    uint32_t I2C_ClockSpeed;	//設(shè)置SCL時鐘頻率 <40,000     uint32_t I2C_Mode;	//工作模式 I2C模式或SMBUS模式    uint32_t I2C_DutyCycle;	//指定時鐘占空比 低/高=2/1或16/9    uint32_t I2C_OwnAddress1;	//指定自身的I2C設(shè)備地址    uint32_t I2C_Ack;	//使能或關(guān)閉響應(yīng)（一般使能）    uint32_t I2C_AcknowledgedAddress;	//指定地址長度 7位/10位} I2C_InitTypeDef;

參考：

原理：《IIC總線協(xié)議中文版》

代碼實現(xiàn)：博客園

學(xué)習(xí)：野火、正點原子、普中科技
部分圖片來源于網(wǎng)站，侵刪

修改時間：2021年09月27日