半小时搞懂STM32面经知识点—

半小时搞懂STM32面经知识点——IIC

news2024/11/13 10:16:50

1.IIC

1.1什么是IIC？

同步半双工通信协议，适用于小数据和短距离传输。

1.2 IIC需要几条线？

IIC总共有2条通信总线（SDA,SCL），SCL为时钟同步线，用于主机和从机间数据同步操作；SDA为数据线；
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1.3 为什么上述两条线要用开漏输出且配上上拉电阻呢？

①多口同线，实现“线与”，防止短路
多个设备挂载在同一个总线上，如果采用推挽输出，其中一个设备输出高电平，另一个设备输出低电平就会造成短路。而开漏输出允许多个设备共享同一个总线或信号线，通过合理的电平控制，实现对总线或信号线的协调使用，避免冲突和干扰。
线与：只要有一个设备输出低电平，那么总线便会变成低电平
②无数据传输时，总线一直保持高电平，减少数据干扰

1.4 IIC最大支持的挂载设备数？

地址组成：7+W/R，高7位为设备地址，最低位为读写位。读写位用低电平0表示写，高电平1表示读。
最大挂载设备为：2^7-1 = 127,剩下一个用作广播地址。 广播只能传输控制命令，如复位，不能传数据。
实际上，已有IIC的设备种类远远多于这个限制，在一条总线上出现相同的地址的IIC设备的概率相当高。IIC标准提出10位的地址方案。当使用10位设备地址，可以挂载的设备理论上可以达到1024个。

10位地址对IIC协议的影响有两点：

      1.地址帧为两个字节长，原来的是一个字节

      2.第一个字节前五位最高有效作用为用作10位地址标识，约定是“11110”

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际设计中的经验值建议不超过8个设备，受到总线电容和总线电压的限制，信号的质量和传输的可靠性可能会受到影响。

1.5 IIC的速度

标准：100 kb/s，适用较长的总线和较慢的设备，如LCD显示屏、温度传感器等
高速模式：3.4Mb/s（可双向传输的最快）适用于对数据传输速度要求非常高的设备，如高清视频处理器、高速闪存等
超快速模式：5Mb/s（只适用于单向传输）适用于需要超高速数据传输的设备，如图像处理器、高速网络接口等

注：上拉电阻越小，电流越大，电平转换效率越高，总线速率越高

1.6 IIC的信号与时序

Start 起始信号

开始条件：SDA,SCL都为高 11

起始信号：SCL为高电平时，SDA从高到低。 01

结束条件：SDA和SCL都处于低电平。 00
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void IIC_Start(void)
{
    SDA_H;            // 拉高SDA
    SCL_H;            // 拉高SCL  先拉高两条线是为了确保空闲状态两个都是高电平
    delay_us(speed);  // 延时控制速度
    SDA_L;            // 启动信号，SCL高电平的时候，SDA从高电平变为低电平
    delay_us(speed);  // 延时，控制速度
    SCL_L;            // 为了准备下一个时钟周期以及接下来的数据传输做准备。
}

Stop 停止信号

开始条件：SDA,SCL都为低

时钟线拉高：SCL拉高先

结束信号：在时钟线为高的时候，SDA从低变高
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void IIC_Stop(void)
{
    SDA_L;  //  
    SCL_L;  // 拉低SCL代码是为了确保从设备能够检测出SDA的变化
    delay_us(speed);
    SCL_H;  //SCL线 
    SDA_H;  // 拉高SDA线，当SCL为高时，SDA线一个上升沿代表停止
    delay_us(speed);
}

ACK 应答信号

应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK，简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；
有效应答：SDA为低电平，SCL经历一个完整的时候，也就是SCL为高电平时候，SDA为低电平
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//产生ACK应答，读取从机一字节数据后还要接着读的时候使用
//SCL在SDA一直为低电平期间完成低高电平转换
void IIC_ACK(void)
{
    SCL_L;   // 拉低SCL是为了让从设备检测到SDA的变化
    SDA_L;   // SDA为低电平表示ACK应答信号
    delay_us(speed);
    SCL_H;   // 经历一个完整的高电平时钟
    delay_us(speed);
    SCL_L;   
}

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//不产生ACK应答，读取从机一字节数据后不读了的时候使用    
//SCL在SDA一直为高电平期间完成低高电平转换
void IIC_NACK(void)
{
    SCL_L;   // 拉低SCL是为了让从设备检测到SDA的变化
    SDA_H;   // SDA为高电平表示ACK应答信号
    delay_us(speed);
    SCL_H;   // 经历一个完整的高电平时钟
    delay_us(speed);
    SCL_L;   
}

//等待ACK应答    
//发送完一个字节后（释放SDA）的下一个时钟高电平时期，读取SDA电平，0为收到应答
bool IIC_Wait_ACK(unsigned int timeOut)
{
    SDA_H;
    delay_us(speed);
    SCL_H;
    delay_us(speed);
    while(SDA_R)
    {
        if(--timeOut)
        {
           printf("Wait IIC timeOut\r\n");
           IIC_Stop();            // 超时未收到应答，停止总线
           return IIC_Err;  //返回失败
        }
        delay_us(speed);
    }
    SCL_L;
    return IIC_OK;   
}

数据信号

发送数据和接收数据时通用。当SCL为高电平，如果SDA始终为高电平时表示逻辑1，如果SDA始终为低电平表示逻辑0.

IIC发送与接受数据帧

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起始条件+发送要读取的地址（0，为发送数据）+接收应答位+读取的8位数据+发送应答位（0，应答）+应答位（1，不应答，因为想停止读取）+停止条件

1.7 IIC仲裁机制

“低电平优先”，谁先发送低电平谁就掌握对总线的控制
通过线与逻辑就可以仲裁主机，如下图所示，在第四个红框的时候，主器件A和主器件B发送的数据为高电平，主器件C为低电平。此时数据线呈现低电平，A和B与数据线电平不相同，退出竞争。C相同获得数据线的归属权。
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1.8 IIC时钟同步

时钟同步发生在仲裁期间，会有多个主机同时发送往SCL上发送时钟信号，需要时钟同步调整速率一致，具体来说就是SCL线上的低电平时间是由时钟低电平最长的设备决定，SCL的高电平则是由高电平时间最短的期间决定 ，通过这一方法可以同步所有设备的时钟，更好的实现仲裁
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1.9 时钟拉伸

时钟拉伸就是完成时钟同步中的事，将主从设备间数据传输同步。
时钟拉伸是用于调整主从设备速率不一致的时候发生的，当从设备速度较慢或需要处理其他事情的时候，从设备主动拉低SCL线通知主设备，直到从设备释放SCL，主设备才进入下一个时许，时钟拉伸解决了I2C主从设备的数率同步问题，使得数据传输更可靠。

1.10 IIC优势

简单且灵活：I2C仅需要两根线（SDA和SCL）来进行通信，使得硬件连接和布线变得简单。
可靠性高：I2C协议采用了主从架构，由主设备控制总线上的数据传输。
多设备支持：IIC支持一主多从，每个设备都有唯一的地址。
低功耗：I2C在基本模式下使用了开漏输出结构，使得设备在非活动状态下可以撤离总线，从而降低功耗。