FPGA实用通信协议之IIC

本文主要参考正点原子开发资料

EEPROM (Electrically Erasable Progammable Read Only Memory， E2PROM)即电可擦除可编程只读存储器， 是一种常用的非易失性存储器（掉电数据不丢失）， EEPROM有多种类型的产品，较常使用的是ATMEL公司生产的AT24C系列。AT24CXX具有高可靠性， 可对所存数据保存100年，并可多次擦写，擦写次数达一百万次。

I2C即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线），是由Philips半导体公司（现在的NXP半导体公司）在八十年代初设计出来的一种简单、双向、二线制总线标准。多用于主机和从机在数据量不大且传输距离短的场合下的主从通信。主机启动总线，并产生时钟用于传送数据，此时任何接收数据的器件均被认为是从机。

I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成通信线路，既可用于发送数据，也可接收数据。 在主控与被控IC之间可进行双向数据传送，数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s，各种被控器件均并联在总线上，通过器件地址（SLAVE ADDR， 具体可查器件手册）识别。

I2C_SCL是串行时钟线， I2C_SDA是串行数据线，由于I2C器件一般采用开漏结构总线相连，所以I2C_SCL和I2C_SDA均需接上拉电阻，也正因此，当总线空闲时，这两条线路都处于高电平状态，当连到总线上的任一器件输出低电平，都将使总线拉低，即各器件的SDA及SCL都是“线与”关系。

I2C总线支持多主和主从两种工作方式，通常工作在主从工作方式，我们的开发板就采用主从工作方式。在主从工作方式中，系统中只有一个主机，其它器件都是具有I2C总线的外围从机。在主从工作方式中，主机启动数据的发送（发出启动信号）并产生时钟信号，数据发送完成后，发出停止信号。

I2C总线结构虽然简单，使用两线传输，然而要实现器件间的通信，需要通过控制SCL和SDA的时序，使其满足I2C的总线传输协议，方可实现器件间的数据传输。

在I2C器件开始通信（传输数据）之前，串行时钟线SCL和串行数据线SDA线由于上拉的原因处于高电平状态，此时I2C总线处于空闲状态。如果主机（此处指FPGA）想开始传输数据，只需在SCL为高电平时将SDA线拉低，产生一个起始信号，从机检测到起始信号后，准备接收数据，当数据传输完成，主机只需产生一个停止信号，告诉从机数据传输结束，停止信号的产生是在SCL为高电平时， SDA从低电平跳变到高电平，从机检测到停止信号后，停止接收数据。 I2C整体时序如下图。起始信号之前为空闲状态，起始信号之后到停止信号之前的这一段为数据传输状态，主机可以向从机写数据， 也可以读取从机输出的数据，数据的传输由双向数据线（SDA）完成。停止信号产生后，总线再次处于空闲状态。

 

 

 

 

如上图所示，在起始信号之后，主机开始发送传输的数据； 在串行时钟线SCL为低电平状态时， SDA允许改变传输的数据位（1为高电平， 0为低电平），在SCL为高电平状态时， SDA要求保持稳定，相当于一个时钟周期传输1bit数据，经过8个时钟周期后，传输了8bit数据，即一个字节。第8个时钟周期末，主机释放SDA以使从机应答，在第9个时钟周期，从机将SDA拉低以应答； 如果第9个时钟周期， SCL为高电平时， SDA未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。第9个时钟周期末，从机释放SDA以使主机继续传输数据，如果主机发送停止信号，此次传输结束。 要注意的 是数据以8bit即一个字节为单位串行发出，其最先发送的是字节的最高位。

 

单次写时序：

 

连续写时序：

 

如果读写控制位R/W位为“1”即读命令，主机就处于接收数据的状态，从机从该地址单元输出数据。读数据有三种方式：当前地址读、随机读和连续读。当前地址读是指在一次读或写操作后发起读操作。由于I2C器件在读写操作后，其内部的地址指针自动加一，因此当前地址读可以读取下一个字地址的数据。也就是说上次读或写操作的单元地址为02时，当前地址读的 内容就是地址03处的单元数据，时序图如下图所示。

随机读时序：

由于当前地址读极不方便读取任意的地址单元的数据，所以就有了随机读，随机读的时序有点奇怪，见下图，发送完器件地址和字地址后，竟然又发送起始信号和器件地址，而且第一次发送器件地址时后面的读写控制位为“0”，也就是写命令，第二次发送器件地址时后面的读写控制位为“1”，也就是读。为什么会有这样奇怪的操作呢？这是因为我们需要使从机内的存储单元地址指针指向我们想要读取的存储单元地址处，所以首先发送了一次Dummy Write也就是虚写操作，只所以称为虚写，是因为我们并不是真的要写数据， 而是通过这种虚写操作使地址指针指向虚写操作中字地址的位置，等从机应答后，就可以以当前地址读的方式读数据了，如图 28.1.9所示，随机地址读是没有发送数据的单次写操作和当前地址读操作的结合体 。

 

 

至于连续读，对应的是当前地址读和随机读都是一次读取一个字节而言的，它是将当前地址读或随机读的主机非应答改成应答，表示继续读取数据，下图是在当前地址读下的连续读。

I2C协议就这么多。