【嵌入式面经专题】4-IIC协议

1. 概述

I2C(Inter-Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，该总线由NXP（原PHILIPS）公司设计，多用于主控制器和从器件间的主从通信，在小数据量场合使用，传输距离短，任意时刻只能有一个主机等特性。

2. 物理层

只要求两条总线线路，一条是串行数据线SDA，一条是串行时钟线SCL。（IIC是半双工，而不是全双工）。

每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和其它器件通信，主机/从机角色和地址可配置，主机可以作为主机发送器和主机接收器。

IIC是真正的多主机总线，（区别于SPI在每次通信前都需要把主机定死，而IIC可以在通讯过程中，改变主机），如果两个或更多的主机同时请求总线，可以通过冲突检测和仲裁防止总线数据被破坏。

传输速率在标准模式下可以达到100kb/s,快速模式下可以达到400kb/s。

连接到总线的IC数量只是受到总线的最大负载电容400pf限制。

3. 协议层

 

一、主机数据传输态

①开始条件：SCL高电平，SDA由高变低

②停止条件：SCL高电平，SDA由低变高

③数据发送状态：SDA电平保持稳定条件下，SCL变为高电平（此时进行“采样”）。

总结上面3点为一句话：

SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit；若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束。

 

二、总线空闲态：SDA为高电平

疑问：

SDA为高电平有下面两种情况：

• 总线空闲态（SCL处于低电平）
• SDA高电平有效数据态（SCL处于高电平）

那么如何区分这两种情况呢？假如SDA为高电平有效数据态的时候，被当做空闲态被其他IC拉低该怎么办呢？

答：

I2C总体来将，就是SDA总线下降沿表示通讯开始（总线被占用），然后在时钟信号下传输信息，然后再将SDA总线上升沿表示通信结束（总线被释放）。

也就是说，如果数据通讯期间（直到当前产生结束信号），I2C总线会屏蔽掉其他Slave的拉低信号，（哪怕此时SDA表示为高电平，可被“误认为”是空闲状态)。

可以将I2C设想成这样一种场景——服务员为顾客点餐。

当有多个顾客要进行点餐的时候，服务员选择走到哪一个顾客桌边，在一段时间之内，就不能为其他顾客点餐了，直到这位顾客点餐完毕，都一直为这位顾客服务，而根本不理会其他顾客。

其中【服务员选择走到哪一个顾客桌边】就是I2C的仲裁机制：

当I2C总线上挂多个设备时，当各个设备SDA输出逻辑相同时，总线上的逻辑固定；当输出逻辑不相同时，输出逻辑为0的设备会抢到总线控制权，其它设备释放总线，发起stop信号。

 

三、从机应答信号：

应答信号： Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。即在第9个clock，若“从IC”(Slave)发ACK，SDA会被拉低。

若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程。

 

四、 I2C 时序：

写：（一种普遍的版本，对于具体的外设有所不同）

1.主机发送开始条件

2.发送从机地址（7位 ）+ 写（0）

3.从机会产生一个应答信号（一个CLK下，把SDA拉低）

4.主机得到应答信号，发送8位数据。

5.从机会产生一个应答信号

6.重复 4.5 过程，直到主机发送停止条件

 

读：（一种普遍的版本，对于具体的外设有所不同）

1.主机发送开始条件

2.发送从机地址（7位）+读（1）

3.从机会产生一个应答信号（一个CLK下，SDA拉低）

4.从机给主机发送8位数据

5.主机给从机发送应答

6.从机得到应答，接着发送8位数据。

7.重复5.6过程，直到主机不发送应答信号和产生停止信号

 

参考文章：

1. 《通信协议-I2C 》：https://www.cnblogs.com/zyly/p/17094178.html

2. 【I2C】I2C总线详解——硬件结构/时序/挂死解决方法：https://zhuanlan.zhihu.com/p/614031572