通信协议详解（一）：IIC总线协议（传输时序+数据格式+设计实现） - 知乎
一、IIC（Inter-Integrated Circuit）介绍
IIC（Inter-Integrated Circuit）即集成电路总线，它是一种具有两线传输的串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备而发展，适用于数据量不大且传输距离短的场合。
IIC串行总线由两根信号线组成，一根是双向的数据线SDA，另一根是单向的时钟线SCL，在空闲状态时，SDA和SCL线都置’1‘，为高电平。
IIC为同步的半双工通信方式
常见的传输速率有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s
二、传输协议
1.时序
IIC由两根通信信号线组成，SCL是由主模块输入的时钟信号，是单向的信号，而SDA是由主机或从机控制的数据信号，是双向信号。
传输时序
在空闲状态下，SCL及SDA都是置高的状态，当需要进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，START信号的标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由高变低 ，即视为START开始，STOP信号标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由低变高，即视为STOP结束，START信号与STOP信号之间的信号流即为所传输信号。
IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，所含数据流一般包含地址、片选、读写、数据信号。其基本时序如图1所示，SCL为输入的时钟信号，SDA既可作为数据的输入信号，也可作为数据的输出信号
tHIGH 和 tLOW分别为高电平和低电平持续时间；
tsu,sta 和 thd,sta分别为开始信号start的建立和保持时间；
tsu,dat 和 thd,dat分别为数据信号data的建立和保持时间；
tsu,sto 和 thd,sto分别为结束信号stop的建立和保持时间；
写操作时序
在进行写操作时，SCL一直保持时钟的信号，SDA线的传输以8位为一个单位，在进行第一个8bit的传输后，若从设备接收到传输信号，则会返回一个应答信号ack，然后拉低SDA线，进行下一步的数据写入，写周期时序图如下图所示 ，twr为进行数据写入的时钟周期
数据有效性
IIC进行传输时，数据data的改变必须在SCL信号为低电平时进行，在SCL为高电平时保持稳定，此时认为在SCL为高电平时的数据有效，其时序如下图所示
开始&结束信号
IIC传输的开始及结束如下图4所示，在SCL为高电平期间，SDA由高变低，即为start信号；在SCL为高电平期间，SDA信号由低变高，即为stop信号.
从机应答信号
传输过程中的应答信号时序如下图5所示，当检测到start信号后，在随后的8个时钟周期，SDA线进行一次8bit的数据传输，若接收到相应的8bit信号，则在第9个时钟周期拉低SDA信号，并视为一次ack应答信号
2.数据格式
进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，一次完整的IIC传输包含
Trans_data = Start + n * Bytes+ n * ack + Stop
基本数据格式如下图所示：
当检测到Start信号时，主机输出8bit的信号，其中前7bit表示从机的地址，为选中的从机信息，第8bit表示当前进行的读写操作，为’1’表示读操作，为’0’表示写操作，然后第9位为从机的应答ack信号，表示指定从机已接收到地址信号，以进行后续的传输；后续的传输以 8 bit + ack 的重复，即 n * Bytes + n * ack 信号来进行数据的传输，最后主机发出Stop信号，即当前的一次IIC传输结束
三、设计实现
1、时钟
前面提到IIC一般适用于吞吐量较低的场景，其常见的传输速率(SCL线上时钟)有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s，而数字处理逻辑动辄几十百兆速率的系统时钟，因而对于IIC必须要做一个低频的时钟。一个完整的IIC传输过程中会用到三个时钟：1、系统频率时钟；2、IIC传输驱动时钟；3、SCL线上时钟（伪时钟）
SDA信号数据的改变必须是在SCL为低电平时改变，在SCL为高电平时保持稳定，因而可以得出IIC_dri_clk和SCL_clk的关系，IIC_dri_clk频率应至少为SCL_clk的两倍以上（通常选用四倍频，若选用两倍频则只能在下降沿或在当前数据获取的clk上升沿进行改变，易出现毛刺），SDA才能实现在SCL低电平改变数据。时钟频率关系如下，其中 Freq_div 为 分频系数
FIIC_dri_clk=4 * FSCL_clk
Freq_div=FSystem_clk /FIIC_dri_clk
时钟分频具体实现如下：
assign Freq_div= (System_clk/SCL_clk) >> 2'd2;
always @(posedge System_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
IIC_clk <= 1'b0;
clk_cnt <= 10'd0;
end
else if(clk_cnt == Freq_div/2 - 1'd1) begin
clk_cnt <= 10'd0;
IIC_dri_clk <= ~IIC_dri_clk;
end
else
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
end2、传输过程
整个IIC传输过程中，先传器件地址，再传读/写地址，然后再传读/写数据，因而整个传输过程可以用状态机来控制，状态定义及跳转如下图
| 状态 | 定义 |
|---|---|
| IDLE | 起始状态 |
| SLAVE_ADDR | 发送器件地址 |
| WR_ADDR_16 | 发送16位字地址 |
| WR_DATA | 写数据 |
| RD_ADDR | 读地址 |
| RD_DATA | 读数据 |
| DONE | 传输结束 |
整个状态机具体实现如下：
always @(posedge IIC_dri_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
state_c <= IDLE;
else
state_c <= state_n;
end
always @(*) begin
state_n = IDLE;
case(state_c)
IDLE: begin
if(iic_flag) begin
state_n = Slave_ADDR;
end
else
state_n = IDLE;
end
Slave_ADDR: begin
if(iic_done) begin
if(bit_ctrl)
state_n = WR_ADDR_16;
else
state_n = WR_ADDR_8 ;
end
else
state_n = Slave_ADDR;
end
WR_ADDR_16: begin
if(iic_done) begin
state_n = WR_ADDR_8;
end
else begin
state_n = WR_ADDR_16;
end
end
WR_ADDR_8: begin
if(iic_done) begin
if(wr_flag==1'b0)
state_n = WR_DATA;
else
state_n = RD_ADDR;
end
else begin
state_n = WR_ADDR_8;
end
end
WR_DATA: begin
if(iic_done)
state_n = DONE;
else
state_n = WR_DATA;
end
RD_ADDR: begin
if(iic_done) begin
state_n = RD_DATA;
end
else begin
state_n = RD_ADDR;
end
end
RD_DATA: begin
if(iic_done)
state_n = DONE;
else
state_n = RD_DATA;
end
DONE: begin
if(iic_done)
state_n = IDLE;
else
state_n = DONE ;
end
default: state_n= IDLE;
endcase
end3、 三态门
在整个IIC传输过程中，SCL信号是由主模块传输给从模块的时钟信号，SDA既可以主机发送从机接收，也可以是主机接收从机发送的信号，因而SDA线是双向的信号，在RTL中用inout接口类型来表示该双向信号，在这里即涉及到一个三态门的实现
即当IIC进行主机发送从机接收传输时，IIC_flag信号置高，sda线上信号即为主机发送信号，当从机发送主机接收时，IIC_flag信号拉低，此时sda与sda_out信号间为高阻状态，视为断开，此时通过sda_in信号来获取sda信号线上的输入数据
三态门具体实现如下
assign sda = IIC_flag ? sda_out : 1'bz; assign sda_in = sda ;
转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/453170437#
