硬件设计基础----通信协议IIC

「爱情、让人受尽委屈。」 2023-09-26 10:06 73阅读 0赞

## 1 IIC通信协议 ##

#### 1.1 协议介绍 ####

**`IIC(Inter-Integrated Circuit)集成电路总线`**，支持设备之间的短距离通信，需要两根信号线完成信息交换。IIC总线是一种`多主多从、半双工同步串行总线`

总线由`数据线SDA`和`时钟线SCL`构成，可发送和接收数据，三个不同的模式传输速率分别为100Kb/s、400Kb/s、3.4Mb/s

双线是极简的通信方式，每根线上的信号形式有`0、1、下降沿、上升沿`四种，两根信号线共有16种组合表达，故需要用16种形式规定IIC通信协议

#### 1.2 设备连接 ####

IIC总线属于多主多从(多个主机(Master)，多个从机(Slave))的总线结构，总线上的每个设备都有一个特定的`设备地址`，以区分同一I2C总线上的其他设备，设备连接如图所示：

![在这里插入图片描述][e910549cda7f47da857378d1a9ace8bb.png_pic_center]

相互通信的设备需要`共地`，两条通信线需要`上拉电阻`上拉

**为什么接上拉电阻：** IIC的接口一般都是OD或者OC门，芯片内部无上拉电阻时，外部需要加上拉电阻才能输出高电平。上拉电阻可以是1.5K，2.2K，4.7K， 电阻的大小对时序有一定影响，对信号的上升时间和下降时间也有影响

**IIC最多可挂载从机数量：** 由IIC地址决定，8位地址，减去1位广播地址，是7位地址，2^7=128，但是地址0x00不用，那就是127个地址，所以理论上可以挂127个从机。但是IIC总线协议规定总线电容不能超过400pF，管脚有输入电容，PCB也会有寄生电容，故不超过8个从机设备(经验值)

#### 1.3 通信过程 ####

主机发送`起始信号`启动IIC总线，总线启动后，总线处于占用状态

主机发送一个字节指明`从机地址`和`数据传送方向`，高7位表示从机地址，最后一位表示传送方向(主机读为1，主机写为0)

主机发送`停止信号`结束通信，总线处于空闲状态

![在这里插入图片描述][310d41a4a9124d529138728417482d59.png_pic_center]  
通信过程步骤如下：

*  1、主机发送起始信号
 *  2、主机发送一个字节(从机地址+数据传送方向)
 *  3、被寻址的从机应答
 *  4、发送器发送一字节数据
 *  5、接收器应答
 *  6、重复步骤4、5
 *  7、主机发停止信号

## 2 IIC工作原理 ##

#### 2.1 IIC总线数据帧 ####

IIC通信协议把传输的消息分为两种类型的帧：

*  **地址帧：** 用于主机指明消息发往哪个从机
 *  **数据帧：** 由主机发往从机的数据或者接收来自从机的数据，每次读写单位为8bit，高位先发

![在这里插入图片描述][ad77dfb93a764c41b8bbdf0c1b57a1c5.png_pic_center]

**数据位有效性：** IIC总线进行数据传送时，SCL时钟信号为高电平期间，SDA数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟电平为低电平期间，数据线上的高电平或者低电平状态才允许变化。即数据在时钟线SCL的上升沿到来之前就需要准备好，并在下降沿到来之前必须保持稳定，刚好涉及到两个概念：`建立时间和保持时间`：

*  **建立时间(setup time)：** 时钟触发事件来临之前，数据需要保持稳定的最小时间，以便数据能够被时钟正确的采样
 *  **保持时间(hold time)：** 时钟触发事件来临之后，数据需要保持稳定的最小时间，以便数据能够被电路准确的传输

![在这里插入图片描述][ad08c363dca54fa48f500a19a3343027.png_pic_center]

**主机写数据到从机，数据传输格式如下：**

![在这里插入图片描述][969427d035e747d3a462cac4fc418463.png_pic_center]

图中`绿色`表示数据从主机传输至从机，`蓝色`表示数据从机传输至主机

*  主机发送起始信号
 *  主机在数据线上广播从机地址
 *  确定数据的传输方向
 *  从机返回ACK表示应答，找到从机
 *  主机发送一个字节数据，从机接收后，会返回给主机一个应答信号，直到主机发送完数据，或者从机返回一个NACK信号，表示从机不再接收主机发送的数据。主机发送一个停止信号，此次数据传输完成

**主机读取从机的数据，数据传输格式如下：**

![在这里插入图片描述][f2023861f4d34059b5ac4db6b2e369c1.png_pic_center]

图中`绿色`表示数据从主机传输至从机，`蓝色`表示数据从机传输至主机

*  主机发送起始信号
 *  主机在数据线上广播从机地址
 *  确定数据的传输方向
 *  从机返回ACK表示应答，找到从机
 *  从机返回读的数据，主机返回一个应答信号，表示成功接收从机发出的数据，当主机接收数据完毕，返回一个非应答信号NACK，从机释放数据总线，接着主机发送一个停止信号，此次数据传输结束

#### 2.2 IIC总线信号 ####

**空闲状态：** IIC总线的数据线SDA和时钟线SCL同时处于高电平时，为总线的空闲状态  
**起始信号：** 时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA由高电平向低电平变化

![在这里插入图片描述][605337b810444a52b2f5172ad0f6320f.png_pic_center]

**停止信号：** 时钟线SCL为高电平期间，数据线SDA由低电平向高电平变化

![在这里插入图片描述][4be7837ace4d4832bfe0687c06c7dc9e.png_pic_center]

`起始信号和停止信号都是由主机发送`，起始信号产生之后，IIC总线处于被占用的状态，在停止信号产生之后，IIC总线处于空闲状态

**应答信号：** 发送器发送一个字节(8bit)，在第9个时钟脉冲期间，释放数据线，等待接收器反馈应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答(ACK)，表示接收器成功接收该字节；应答位为高电平时，规定为非应答信号(NACK)，表示接收器没有成功接收该字节。如果接收器是主主机，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，通知从机结束数据发送，并释放数据线SDA，以便主机发送一个停止信号

![在这里插入图片描述][fa5db3f58d464e3f8b4ecd11176b72f2.png_pic_center]

**`起始信号时必需的，停止信号和应答信号可以不需要`**

#### 2.3 IIC通信实现 ####

**`IIC控制器实现：`**

芯片上的IIC外设，也就是硬件IIC，有相应的IIC驱动电路，有专用的IIC引脚，效率更高，写代码相对简单，只要调用I2C的控制函数即可，不需要用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现IIC协议，只需要将IIC协议中的可变部分(从设备地址、传输数据等)通过函数传参给控制器，控制器自动按照IIC协议实现传输

**`GPIO软件模拟实现：`**

软件模拟IIC比较重要，当芯片上没有IIC控制器，或者控制接口不够用时，通过使用任意IO口去模拟实现IIC通信协议，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟IIC协议的时序，实现IIC的信号和数据传输

## 3 IIC通信特点 ##

**`优点：`**

*  只使用两根线通信，线路简单，硬件资源节约
 *  有应答机制，确认是否成功接收数据

**`缺点：`**

*  传输速率较慢
 *  通信距离较近

**希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正**

**分享决定高度，学习拉开差距**

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