IIC總線學(xué)習(xí)筆記

IIC是飛利浦提出的一種通信總線結(jié)構(gòu)，其硬件架構(gòu)比較簡單，僅包含SCL和SDA兩條線。根據(jù)最新的IIC總線標(biāo)準(zhǔn)，IIC總線包含Standard-mode（100kbit/s）、Fast-mode（400kbit/s）、Fast-mode Plus（1Mbit/s）、High-speed mode（3.4Mbit/s）以及Ultra-Fast-mode（5Mbit/s）5種不同速率的模式，圖一給出了前三種模式的相關(guān)參數(shù)。

圖1 IIC總線幾種模式的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)圖1，可以提出以下幾個問題：

1、幾種不同模式的硬件架構(gòu)有何區(qū)別？

2、不同模式所定義的速率上限是怎么來的？大于規(guī)定速率的話會怎樣？

3、總線電容400pf的要求是怎么確定的，為什么Fast-mode Plus速率更快，

總線電容卻可以更大？

4、為什么會有上升、下降時(shí)間的限制？Fast-mode和Fast-mode Plus的下降

時(shí)間為什么還有最小值的限制？

5、建立、保持時(shí)間為什么需要限制？

另外，關(guān)于IIC總線，還有一些問題需要記錄：

1. IIC總線的通信協(xié)議？
2. 什么是時(shí)鐘延展？
3. IIC總線的是怎么仲裁的？

本文將針對以上問題進(jìn)行討論。

幾種不同模式的硬件架構(gòu)有何區(qū)別？

IIC支持五種不同的模式，速率從100k到5M不等，其硬件結(jié)構(gòu)必然有優(yōu)化，才能支持更高的速率，這一點(diǎn)在IIC的標(biāo)準(zhǔn)中也可窺見一二。Standard-mode下，SCL和SDA是普通的OC門，其高電平的輸出依賴于外部上拉，這一架構(gòu)能使多個IIC設(shè)備掛在同一條IIC總線上，但是這也限制了IIC總線的上升時(shí)間，從而限制了其通信速率。Fast-mode下，IIC的輸入結(jié)構(gòu)中增加了施密特觸發(fā)器，使得輸入的邊沿可以變得更快，從而獲取更高的通信速率。相應(yīng)在輸出結(jié)構(gòu)中，雖然上升沿的速率依舊取決于外部上拉電阻和總線電容的大小，但在下降沿增加的斜率控制可以減小下降時(shí)間，通過對IO結(jié)構(gòu)的改造，F(xiàn)ast-mode獲得了比Standard-mode更高的速率。圖2 給出了Fast-mode下IIC的IO結(jié)構(gòu)及電平特性，F(xiàn)ast-mode Plus在IO結(jié)構(gòu)上和Fast-mode并無二致，但從圖2可以看出，其驅(qū)動電流最大為20mA（Fast-mode下為3mA），這意味著Fast-mode Plus下可以有更快的下降沿和更小的上拉電阻（上升沿也可以更快），從而獲得更高的速率。需要注意的是，從IO結(jié)構(gòu)上看，MOS管是有串接電阻的（標(biāo)準(zhǔn)里說該電阻可選），為的是抑制總線的尖峰和串?dāng)_，但是這個電阻的存在會讓低電平不為0，在Fast-mode Plus下，由于驅(qū)動電流更大，輸出的低電平的值也就更高，部分IIC電平轉(zhuǎn)換芯片輸出低電平可達(dá)到0.6V左右，此時(shí)需要注意輸出低電平是否超門限。相比于Fast-mode Plus，在Hs-mode下，主機(jī)設(shè)備具有一個用于SDAH信號的開漏輸出緩沖器（從機(jī)設(shè)備也有），并在SCLH輸出端集成了開漏下拉和電流源上拉電路，并且在傳輸期間不執(zhí)行仲裁或時(shí)鐘同步，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。Ultra Fast-mode則采用了推挽的輸出結(jié)構(gòu)，因此Ultra Fast-mode和其他模式不兼容，也不支持線與（由于推挽輸出結(jié)構(gòu)，多設(shè)備并聯(lián)時(shí)，如果有不同設(shè)備同時(shí)輸出高電平和低電平，則會發(fā)生短路），但是推挽的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了通信速率。

圖2 Fast-mode下IIC的IO結(jié)構(gòu)及電平特性

不同模式所定義的速率上限是怎么來的？大于規(guī)定速率的話會怎樣？

IIC的不同模式之間速率差異極大，且每種模式的速率提升都伴有硬件架構(gòu)上的改進(jìn)和升級。那么，各種模式所規(guī)定的速率上限是嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算而來的嗎？假設(shè)在Standard-mode下，VCC為3.3V(電壓越高，通信速率理論上限應(yīng)該更低，因?yàn)樵谄渌麠l件一定時(shí)，越高的電壓等級意味著越長的上升時(shí)間)，灌電流為3mA,最大輸出電壓為0.4V，那么上拉電阻的最小值為：

在總線電容400pf的情況下，電壓從0上升到0.3VCC所需要的時(shí)間為：

電壓從0上升到0.7VCC所需要的時(shí)間為：

故上升時(shí)間為：

假設(shè)上升沿是線性的，那么，電平從0到Vcc所需的時(shí)間為：

IIC的下降時(shí)間遠(yuǎn)小于上升時(shí)間，這里假設(shè)兩者相等，則上升下降時(shí)間總和為：

假設(shè)上升下降時(shí)間占整個周期的20%，則Standard-mode下，IIC的最大頻率為：

可見，即使在各項(xiàng)都放大的情況下，算出來的最大頻率都要比Standard-mode所規(guī)定的頻率最大值要大。所以，各種模式下所規(guī)定的的速率是否為硬性要求就值得考慮了。

圖3 IIC超推薦頻率使用實(shí)例

圖3給出了一個IIC超推薦頻率使用的實(shí)例，在《 High Resolution Thermal Camera with Raspberry Pi and MLX90640》 中，作者將IIC的速率提高到1Mbit/s（推薦為400kbit/s）,而需要擔(dān)心的僅僅是散熱，當(dāng)然，再高的速率可能導(dǎo)致誤碼。所以，IIC各種模式規(guī)定的速率只是一個推薦值，但超規(guī)格使用一般是不建議的。

總線電容400pf的要求是怎么確定的，為什么Fast-mode Plus速率更快，總線電容卻可以更大？

IIC的設(shè)備地址是7位，所以理論上IIC總線上可以掛127個設(shè)備（地址0x0不使用），但是IIC總線有400pf的限制，所以一般而言，IIC總線上的設(shè)備數(shù)是達(dá)不到127的。那么，400pf這個限制是怎么來的呢？要討論這個問題，首先要明確總線電容會影響什么參數(shù)。首先，電容的的大小會影響總線電壓的充放電速度，從而影響上升/下降沿的斜率，這對通信速率形成了限制；其次，總線電容和電阻形成了一個濾波器，當(dāng)頻率高時(shí)，信號會產(chǎn)生衰減，當(dāng)信號衰減幅度超過電平判決門限時(shí)，就會導(dǎo)致誤碼，因此其對通信頻率也是一個限制。這兩點(diǎn)在我的 《串口通信》 一文中已經(jīng)展開討論過，在正常情況下，這兩點(diǎn)所確認(rèn)的總線電容上限都比400pf要大得多，而且充放電速度的大小不僅取決于總線電容的大小，對IIC總線而言，還和上拉電阻的大小以及驅(qū)動電流的上限相關(guān)。根據(jù)IIC的標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)ast-mode Plus的總線電容上限為550pf，相較于Fast-mode，其擁有更高的通信速率但卻可以容忍更大的總線電容，其原因就是因?yàn)镕ast-mode plus的灌電流能力能達(dá)到20mA（實(shí)際看部分芯片的數(shù)據(jù)手冊，30mA的也有），所以無論是總線電容400pf的限制還是灌電流能力，這些我個人都傾向于認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)給出的一個建議值，而各半導(dǎo)體廠商在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，首先會滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證各廠家芯片對接的通用性，這是標(biāo)準(zhǔn)存在的意義。當(dāng)然，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，如果成本上滿足要求或基于產(chǎn)品競爭力的考慮，廠家也可以將芯片設(shè)計(jì)得更強(qiáng)大（例如30mA的灌電流能力），這就是芯片手冊的參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)不盡一致的原因。

為什么會有上升、下降時(shí)間的限制？Fast-mode和Fast-mode Plus的下降

時(shí)間為什么還有最小值的限制？

圖1給出了幾種模式下上升、下降時(shí)間的要求，根據(jù)相關(guān)參數(shù)可以看出，上升/下降時(shí)間最大值占整個周期時(shí)間的12%左右，即使將標(biāo)準(zhǔn)放寬一倍，其時(shí)間占比也不足整個周期的50%。那么，緩慢的上升/下降時(shí)間到底會帶來什么不好的影響呢？

上升/下降時(shí)間所規(guī)定的都屬輸入端的要求，所以要討論這個問題，首先要弄清楚IIC輸入結(jié)構(gòu)是什么樣子， 《Designing I/O Drivers for Integrated Circuit IIC Modules》 一文中給出了IIC模塊輸入結(jié)構(gòu)的框圖，如圖3所示。

圖4 IIC的輸入結(jié)構(gòu)框圖

由圖4可以看到，IIC輸入經(jīng)過buffer緩沖，在移位寄存器處實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，過濾毛刺后再輸出給后級的處理邏輯。緩沖器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，可以看做是兩個反相器的串聯(lián)，而反相器的則是由CMOS電路組成的，即IIC信號輸入首先到達(dá)的是一個CMOS反相器。

圖5 CMOS反相器

CMOS反相器由一個NMOS和一個PMOS組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。其原理也比較簡單，在輸入為高時(shí)，NMOS導(dǎo)通，輸出為0；輸入為低時(shí)，PMOS導(dǎo)通，輸出為1。在華科的 《電子技術(shù)基礎(chǔ)——數(shù)字部分》 一書中，還給出了其電壓、電流傳輸特性如圖5所示。從其電壓、電流的傳輸特性可以看出，CMOS電路的兩個MOS管可能存在直通的現(xiàn)象，雖然書中理想化地將該電壓標(biāo)注為VDD/2，但從MOS管的工作原理上看，兩個MOS同時(shí)導(dǎo)通必然對應(yīng)的是一個電壓范圍。也就是說，過長的上升/下降時(shí)間會使CMOS電路直通的時(shí)間變長，從而增加電路損耗甚至可能導(dǎo)致器件損壞。

圖6 CMOS電壓電流傳輸特性

但在圖1中，上升/下降時(shí)間不僅有最大值的限制，在Fast-mode和Fast-mode plus下，下降時(shí)間的最小值也存在限制。前述，相較于Standard-mode，F(xiàn)ast-mode的硬件結(jié)構(gòu)在輸入端增加了施密特觸發(fā)器和尖峰抑制，輸出端增加了斜率控制電路，但是，查看施密特觸發(fā)器的datasheet（以SN74LVC1G17為參考），上升時(shí)間并沒有相關(guān)的規(guī)格要求。

圖7 SN74LVC1G17的參數(shù)要求

在NXP和TI的社區(qū)中，關(guān)于這個問題的解釋見圖8，NXP的解釋是可能和Fast-mode的輸入輸出結(jié)構(gòu)相關(guān)，但并未給出具體的原因；TI給出的回答是在Fast-mode以及更高速率的模式下，上升/下降時(shí)間太快可能帶來EMI問題，但這一規(guī)定并不是強(qiáng)制要求的（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，下降時(shí)間一般都小于20ns，且我本人尚未碰到過應(yīng)用問題）。

圖8 NXP和TI社區(qū)中關(guān)于上升時(shí)間最低值限制的問題

建立、保持時(shí)間的要求從何而來？

由圖3可知，從機(jī)接收到輸入信號后，會將其保存到寄存器中，在輸入到后級進(jìn)行處理。寄存器由觸發(fā)器構(gòu)成，以D觸發(fā)器為例，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖9 D觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖9可以看出，D觸發(fā)器實(shí)際是由兩個鎖存器串聯(lián)而成，當(dāng)CLK為低電平時(shí)，傳輸門TG1、TG4打開，TG2、TG3關(guān)閉，觸發(fā)器的輸入信號經(jīng)過G1輸出到Q1’，并經(jīng)過Q1輸出到TG2的輸入端，當(dāng)CLK變高瞬間，TG1、TG4關(guān)閉，TG2、TG3打開，主鎖存器的輸出通過TG3輸出，在這個過程中，需要確保TG2有關(guān)閉到打開時(shí)，傳輸門兩邊的電平一致，這樣Q1’才能輸出穩(wěn)定的信號，建立時(shí)間指的便是TG1、G1、G2的延時(shí)，即：

保持時(shí)間要求的來源也類似，為保證輸出Q穩(wěn)定，則在CLK變高時(shí)，Q1’的電平要保持穩(wěn)定，而TG1的關(guān)閉需要時(shí)間，所以保持時(shí)間為：

IIC總線的通信協(xié)議

IIC的一幀數(shù)據(jù)包含9個bit，主要包括起始位、停止位、讀寫標(biāo)志位、應(yīng)答位、設(shè)備地址、寄存器地址以及數(shù)據(jù)幾項(xiàng)內(nèi)容。其中， SCL為高時(shí)，SDA拉低為起始標(biāo)志位；SCL為高時(shí)，SDA拉高為停止標(biāo)志位；讀寫標(biāo)志位只有一位，0表示寫，1表示讀；應(yīng)答位低有效，應(yīng)答位為高表示非應(yīng)答。另外，IIC的讀寫幀格式不太一樣，下面分別描述。

1. 寫操作
   IIC寫操作時(shí)的幀格式如圖10所示，陰影部分為主機(jī)發(fā)出，空白部分則為從機(jī)發(fā)出。首先由主機(jī)發(fā)出起始位，由于IIC可能有多個設(shè)備，所以在起始位發(fā)出后，第一幀數(shù)據(jù)會發(fā)送設(shè)備地址對從機(jī)進(jìn)行尋址（設(shè)備地址一般為7bit），第8位數(shù)據(jù)則是讀寫標(biāo)志位，在寫操作時(shí)，該bit為0，第9位則為從機(jī)發(fā)出的應(yīng)答位。完成尋址后，需要指定要寫入寄存器的地址，隨后寫入數(shù)據(jù)。完成以上步驟，主機(jī)發(fā)出停止位，即完成了一次讀操作。

圖10 IIC寫操作的幀格式

讀操作

讀操作稍微比較復(fù)雜，有讀當(dāng)前地址數(shù)據(jù)和隨機(jī)讀兩種不同場景。讀當(dāng)前地址數(shù)據(jù)的幀格式如圖11 所示。在主機(jī)選擇相應(yīng)的從機(jī)設(shè)備后，從機(jī)會將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸完成后，主機(jī)發(fā)出NACK后發(fā)出停止位即完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

圖11 IIC讀當(dāng)前地址的幀格式

隨機(jī)讀模式較為復(fù)雜，其幀格式如圖12所示。由于要指定特定寄存器地址，所以IIC首先要進(jìn)行一次寫操作（無需寫入數(shù)據(jù)，只是為了定位到需要讀取的寄存器地址），隨后再按讀當(dāng)前地址的幀格式操作即可完成隨機(jī)地址寄存器信息的讀取。

圖12 IIC讀隨機(jī)地址的幀格式

關(guān)于IIC的幀格式這一塊，網(wǎng)上的資料眾多，相關(guān)芯片的數(shù)據(jù)手冊里對此也有很多描述，IIC的讀寫操作還有單次讀寫和頁讀寫的操作，其幀格式在此不再贅述。

關(guān)于時(shí)鐘延展

時(shí)鐘延展在IIC標(biāo)準(zhǔn)的High-speed mode的章節(jié)中有所提及，這一功能是為了解決系統(tǒng)中存在使用不同速率的IIC總線設(shè)備的通信問題，它允許從機(jī)在來不及處理數(shù)據(jù)的時(shí)候拉低SCL，從而有更多的時(shí)間處理接收到的數(shù)據(jù)。這一功能讓IIC變得更加靈活，因?yàn)閺臋C(jī)可以控制SCL意味著給了從機(jī)設(shè)備發(fā)出中斷的能力，那么在通信或者其他功能的控制上就可以更加方便。這一功能在實(shí)際的應(yīng)用中也比較常見。

關(guān)于仲裁

IIC總線允許在同一條主線上有多個主機(jī)和多個從機(jī)，那么在多個主機(jī)同時(shí)發(fā)起通信的時(shí)候，就會產(chǎn)生沖突，而解決這個沖突的過程就是仲裁。IIC的仲裁機(jī)制由其OC/OD門輸出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，多個設(shè)備掛在同一條IIC總線上時(shí)時(shí)線與的關(guān)系，那么其時(shí)鐘速率必然由速率最低的主機(jī)決定（假設(shè)占空比為50%，由于線與的特性，SCL的波形決定于低電平最長的主機(jī)的SCL）。但是，SCL和SDA是同時(shí)發(fā)出的，且SCL和SDA互相感知不到對方是否正常，在多主機(jī)沖突的時(shí)候，即使SCL的波形已經(jīng)由頻率最低的主機(jī)決定了，其他主機(jī)的SDA也依然在繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。所以，在SCL為高時(shí)，每個主機(jī)會探測SDA上的數(shù)據(jù)是否與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，不一致則退出總線控制權(quán)的競爭，在這個過程當(dāng)中，IIC數(shù)據(jù)不會丟失，且最后剩下的主機(jī)即使有超過一個，那么對應(yīng)從機(jī)收到的數(shù)據(jù)也是正確的。通過以上描述可以知道，IIC總線控制權(quán)的競爭僅取決于SDA，多個主機(jī)無法排優(yōu)先級。