I2C通訊協(xié)議及其FPGA實(shí)測(cè)波形

本篇文章介紹I2C通訊協(xié)議及其FPGA實(shí)測(cè)波形。

有哪些內(nèi)容

I2C是什么

5種速率

4種信號(hào)

讀寫時(shí)序

7位和10位地址

I2C保留字節(jié)

FPGA實(shí)測(cè)I2C波形

SPI和I2C的對(duì)比

I2C是什么

在消費(fèi)電子，工業(yè)電子等領(lǐng)域，會(huì)使用各種類型的芯片，如微控制器，電源管理，顯示驅(qū)動(dòng)，傳感器，存儲(chǔ)器，轉(zhuǎn)換器等，他們有著不同的功能，有時(shí)需要快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，為了使用最簡單的方式使這些芯片互聯(lián)互通，于是I2C誕生了，I2C（Inter－Integrated Circuit）是一種通用的總線協(xié)議。它是由Philips（飛利浦）公司，現(xiàn)NXP（恩智浦）半導(dǎo)體開發(fā)的一種簡單的雙向兩線制總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)人員來說，只需要2個(gè)管腳，極少的連接線和面積，就可以實(shí)現(xiàn)芯片間的通訊，對(duì)于軟件開發(fā)者來說，可以使用同一個(gè)I2C驅(qū)動(dòng)庫，來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)不同器件的驅(qū)動(dòng)，大大減少了軟件的開發(fā)時(shí)間。極低的工作電流，降低了系統(tǒng)的功耗，完善的應(yīng)答機(jī)制大大增強(qiáng)通訊的可靠性。

多主多從

5種速率

I2C協(xié)議可以工作在以下5種速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。

標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard）：100kbps

快速模式（Fast）：400kbps

快速模式+（Fast-Plus）：1Mbps

高速模式（High-speed）：3.4Mbps

超快模式（Ultra-Fast）：5Mbps（單向傳輸）

I2C速率模式【bps：bit/s，即SCL的頻率】其中超快模式是單向數(shù)據(jù)傳輸，通常用于LED、LCD等不需要應(yīng)答的器件，和正常的I2C操作時(shí)序類似，但是只進(jìn)行寫數(shù)據(jù)，不需要考慮ACK應(yīng)答信號(hào)。

超快模式在I2C協(xié)議的官方文檔NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章節(jié)分別進(jìn)行介紹。

4種信號(hào)

I2C協(xié)議最基礎(chǔ)的幾種信號(hào)：起始、停止、應(yīng)答和非應(yīng)答信號(hào)。

起始信號(hào)

I2C協(xié)議規(guī)定，SCL處于高電平時(shí)，SDA由高到低變化，這種信號(hào)是起始信號(hào)。

停止信號(hào)

I2C協(xié)議規(guī)定，SCL處于高電平，SDA由低到高變化，這種信號(hào)是停止信號(hào)。

起始和停止信號(hào)

數(shù)據(jù)有效性

I2C協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)的采樣發(fā)生在SCL高電平期間，除了起始和停止信號(hào)，在數(shù)據(jù)傳輸期間，SCL為高電平時(shí)，SDA必須保持穩(wěn)定，不允許改變，在SCL低電平時(shí)才可以進(jìn)行變化。

數(shù)據(jù)有效性

應(yīng)答信號(hào)

I2C最大的一個(gè)特點(diǎn)就是有完善的應(yīng)答機(jī)制，從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來通知主機(jī)表示“我收到了”。應(yīng)答信號(hào)出現(xiàn)在1個(gè)字節(jié)傳輸完成之后，即第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi)，此時(shí)主機(jī)需要釋放SDA總線，把總線控制權(quán)交給從機(jī)，由于上拉電阻的作用，此時(shí)總線為高電平，如果從機(jī)正確的收到了主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，會(huì)把SDA拉低，表示應(yīng)答響應(yīng)。

應(yīng)答信號(hào)使用MCU、FPGA等控制器實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要在第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期把SDA設(shè)置為高阻輸入狀態(tài)，如果讀取到SDA為低電平，則表示數(shù)據(jù)被成功接收到，可以進(jìn)行下一步操作。

非應(yīng)答信號(hào)

當(dāng)?shù)?個(gè)SCL時(shí)鐘周期時(shí)，SDA保持高電平，表示非應(yīng)答信號(hào)。

非應(yīng)答產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào)可能是主機(jī)產(chǎn)生也可能是從機(jī)產(chǎn)生，產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào)的情況主要有以下幾種：

I2C總線上沒有主機(jī)所指定地址的從機(jī)設(shè)備

從機(jī)正在執(zhí)行一些操作，處于忙狀態(tài)，還沒有準(zhǔn)備好與主機(jī)通訊

主機(jī)發(fā)送的一些控制命令，從機(jī)不支持

主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)產(chǎn)生非應(yīng)答信號(hào)，通知從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不要再發(fā)數(shù)據(jù)了

讀寫時(shí)序

向指定寄存器地址寫入指定數(shù)據(jù)操作時(shí)序：

寫時(shí)序從指定寄存器地址讀取數(shù)據(jù)操作時(shí)序：

讀時(shí)序注意，讀數(shù)據(jù)時(shí)有兩次起始信號(hào)。

7位和10位地址

大多數(shù)I2C器件支持7位地址模式，有一些器件還支持10位地址，而且兩種類型的器件可以連接在同一個(gè)I2C總線上，目前10位地址的器件還沒有被廣泛使用。主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收。使用10位地址進(jìn)行寫時(shí)序：

10位地址寫主機(jī)接收，從機(jī)發(fā)送。使用10位地址進(jìn)行讀時(shí)序：

10位地址讀

I2C保留字節(jié)

I2C讀寫時(shí)起始位之后的第一個(gè)字節(jié)，除了廠商指定的設(shè)備地址外，還有一些保留字節(jié)，主要有兩組0000 xxx和1111 xxx，保留字節(jié)的含義：

保留字節(jié)上述的10位地址模式，就是使用到了最后一種保留字節(jié)。第一種廣播模式，可以通過寫入第二個(gè)字節(jié)06h來復(fù)位I2C總線上所有的從機(jī)器件。具體操作時(shí)序可以查看文檔NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6：3.1.12 Reserved addresses章節(jié)有詳細(xì)介紹。其中device ID控制字（1111 1xx1），可以讀取I2C器件內(nèi)部的24位器件ID，通過對(duì)照NXP I2C協(xié)議器件列表可以查詢到器件所屬的廠商和型號(hào)。

24位ID設(shè)備ID與器件廠商對(duì)應(yīng)表

ID與廠商對(duì)照

FPGA實(shí)測(cè)I2C波形

FPGA實(shí)現(xiàn)UART、SPI、I2C等串行時(shí)序，最常用的實(shí)現(xiàn)方式就是狀態(tài)機(jī)大法，將各個(gè)步驟分解為各個(gè)狀態(tài)，然后根據(jù)不同的狀態(tài)去控制輸出或讀取輸入，細(xì)節(jié)方面需要考慮數(shù)據(jù)的對(duì)齊、建立和保持時(shí)間、一些異常情況時(shí)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，不能進(jìn)入死循環(huán)，或卡死在某一個(gè)狀態(tài)。I2C控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)定義：

//general S0_IDLE = 0， S1_START1 = 1， S2_CTRL_BYTE1 = 2， S3_ACK1 = 3， S4_ADDR = 4， S5_ACK2 = 5， //write： 0-1-2-3-4-5-》6-7-13-14 S6W_DATA = 6， S7W_ACK3 = 7， //read： 0-1-2-3-4-5-》8-9-10-11-12-13-14 S8R_START2 = 8， S9R_CTRL_BYTE2 = 9， S10R_ACK3 = 10， S11R_DATA = 11， S12R_NACK = 12， //general S13_STOP = 13， S14_DONE = 14， S15_ERR = 15;注意SDA雙向端口的方向控制。

output eeprom_scl， inout eeprom_sda， localparam DIR_IN = 1‘b0; localparam DIR_OUT = ！DIR_IN; reg dir; reg i2c_sda; reg i2c_scl; assign eeprom_scl = i2c_scl; assign eeprom_sda = （dir == DIR_OUT） ？ i2c_sda ： 1’bz; wire sda_in = eeprom_sda;SDA應(yīng)該在第9個(gè)SCL時(shí)鐘周期設(shè)置為輸入狀態(tài)：

SDA方向控制下圖的波形是使用Xilinx FPGA對(duì)AT24C1024的驅(qū)動(dòng)，使用片上邏輯分析儀ChipScope抓取的實(shí)際波形，AT24C1024B存儲(chǔ)空間為1024K Bit = 131072 Byte，存儲(chǔ)單元地址位寬為17位。AT24C1024B寫時(shí)序：

i2c_writeAT24C1024B讀時(shí)序：

i2c_read

SPI和I2C的對(duì)比

I2C是半雙工，SPI是全雙工。

I2C支持多主多從模式，而SPI只能有一個(gè)主機(jī)。

從GPIO占用上來看，I2C占用更少的GPIO，更節(jié)省資源。

I2C有應(yīng)答響應(yīng)機(jī)制，數(shù)據(jù)可靠性更高，SPI沒有應(yīng)答機(jī)制。

I2C速率不會(huì)太高，最高速率3.4Mbps，SPI可以達(dá)到很高的速率。

I2C通過器件地址來選擇從機(jī)，從機(jī)數(shù)量的增加不會(huì)導(dǎo)致GPIO的增加，而SPI通過CS選擇從機(jī)，每增加一個(gè)從機(jī)就要多占用一個(gè)GPIO。

SPI協(xié)議在SCLK邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，I2C在SCL高電平期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

兩者大多都應(yīng)用于板內(nèi)器件短距離通訊。

原文標(biāo)題：一文看懂I2C協(xié)議

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