硬件设计基础----通信协议IIC

Posted 2022-10-07 鲁棒最小二乘支持向量机

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：

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

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

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

主机写数据到从机，数据传输格式如下：

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：

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

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

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

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

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