通信协议之IIC总线

Posted 2023-02-24 海洋想想

文章目录

• 前言
• 物理层
• 协议层
• • 基本读写过程
  • 起始信号和停止信号
  • 数据有效性
  • 地址及数据方向
  • 响应
• 实例

前言

IIC通信协议是Philips公司开发的，由于其引脚少，硬件简单，无须收发设备，因此应用广泛。本文主要简单介绍一下IIC协议。

本文主要参考一下资料：

• 刘火良, 杨森. STM32库开发实战指南——基于STM32F4.机械工业出版社
• NXP Semiconductors.PCF8574手册

物理层

IIC的物理层有以下几个特点：

1. 支持多个设备 。在同一个IIC总线中，可以挂载多个主机和从机。每个连接到总线的设备都有单独的地址，主机可以通过不同的地址来访问不同的从机。
2. IIC总线只有两条线路：SCL和SDA。其中,SCL为时钟线，SDA为数据线。两者都通过上拉电阻连接到2-15V的正电平。上拉电阻一般取1.8k，4.7k以及10k。
3. IIC总线分成三种模式：标准模式：100kbit/s，快速模式：400kbit/s，高速模式：3.4Mbit/s。但是目前大多数设备并不支持高速模式。
4. 多个设备同时使用总线时，会通过仲裁的方式决定哪个设备占用总线。
5. 当IIC设备空闲时，所有设备都为高阻态，则上拉电阻会将总线拉成高电平。

协议层

基本读写过程

上图展示了基本的数据包格式，具体表示如下：

1. S：起始信号
2. SLAVE ADDRESS：从机地址
3. R/W：读写选择位，1为读，0为写
4. A/A：应答信号
5. P：停止信号

在通信开始，首先发送起始信号，所有的从机设备都会接收该信号。

紧接着，主机就发送从机地址，当从机的地址与主机发送的地址一致时，该设备被选中，其余的设备忽略接下来的信息。根据IIC协议，从机地址可以为7位或者10位。在实际使用中，7位更加常用。该7位地址和后面一位读写选择位整好组成一个字节。

读写选择位，该位控制数据流的方向。当该位为0时，表示从主机发送到从机。当该位为1时，表示数据由从机发送到主机。

若传输方向为 “写方向” 时，主机继续传输数据，每个数据包为8位 。主机每一次发送完成后，都要等待从机响应。当主机传输结束后，主机向从机发送一个停止信号§，表示不再传输数据。可以用如下图示：

其中，黑色字体为主机发送数据，绿色字体为从机发送数据。

若传输方向为 “读方向” 时，主机接收到应答信号之后，从机开始发送数据，每个数据包为8位 。从机每一次发送完成后，主机返回应答信号。当主机传输结束后，主机首先返回一个非应答信号，然后发送一个停止信号§，表示不再传输数据。可以用如下图示：

其中，黑色字体为主机发送数据，绿色字体为从机发送数据。

除了以上的两种方式，IIC更加常用的为 “复合格式” 。如下图所示：

在复合模式中，同一帧数据有两个起始位。一般在第一次传输中，主机通过从机地址找到从设备之后，发送一段数据。然后，在没有发送结束信号P的情况下，重新发起一次起始信号S，后面跟着相同的从机地址，而数据的传输方向可以发生改变。通常用于以下情况，第一次传输的数据位从设备内部的寄存器或者存储器地址，第二次传输的为对改地址的内容进行读取或者写入。最常用的情况如下图所示：

即主机先向从机发送寄存器地址，然后读取寄存器地址中的数据。

起始信号和停止信号

起始信号和停止信号是两种特殊的状态，如上图所示。起始信号的定义为：当SCL信号为高电平时，SDA信号由高电平切换到低电平；停止信号的定义为：当SCL信号为高电平时，SDA信号由低电平切换到高电平。

数据有效性

IIC使用SDA信号传输数据，使用SCL进行时钟同步。SDA在SCL每个时钟传输一位数据。SCL为高电平时，表示数据有效。SCL为低电平时，SDA数据无效，用于SDA的电平切换。当数据有效时，SDA高电平表示数据1，低电平表示数据0。

地址及数据方向

IIC总线上的每个设备都有自己的地址，主机发起通信时，通过SDA信号线发送从机地址来查找从机。IIC设备地址为7位或者10位，在实际中，7位使用的范围更广泛。在每个字节中，先发送高位，再发送低位。

响应

IIC的响应包括“应答”和“非应答”两种信号。此信号由数据接收端发送，当接收端(无论是主机还是从机)希望对方继续发送数据时，则需要向对方发送“应答”信号；否则，若想结束数据传输，则向对方发送“非应答”信号，发送方接受到该信号会产生一个停止信号，结束信号传输。

实例

8574是一款支持100K的IIC芯片。其展示的IIC时序如下所示：