FPGA开发——IIC协议介绍

news2024/11/24 14:25:08

简介

其实关于IIC通信协议的相关原理的相关理论我在最开始的文章当中进行过讲解，但是没有详细的去进行过说明，在今天的这篇文章中我们就来详细说明一下IIC协议的相关理论。

一、IIC 总线组成

1、定义介绍

采用串行总线可以简化系统硬件结构、减小系统体积、提高系统可靠性。常用的串行总线有单总线（1-Wire Bus）、IIC（Inter-Integrated Circuit）、SPI（Serial Peripheral Interface）等。 IIC 总线是 Phlips 公司推出的一种同步串行总线，是一种支持多主机多从机系统、总线仲裁以及高低速器件同步功能的高性能串行总线技术。 IIC 总线只有两根双向信号线：一根是数据线 SDA，一根是时钟线 SCL。

多主机多从机 ---- 在 IIC 总线系统上可以挂载多个主机设备与从机设备；

总线仲裁----对于总线上挂载有多主机设备的情况下，为避免多个主机同时向总线发起通信，需要有相应的总线仲裁机制，避免出现总线冲突；

高低速器件同步-- 通过 IIC 总线连接的两个器件的传输速度不一定相同，因此需要通过从机的时钟延展（ clock stretching ）功能保证两者的通信速度一致。

即：如果果从机跟不上主机的速率， IIC 协议规定从机可以通过将 SCL 时钟线拉低来暂停传输直到从机释放掉 SCL 线，传输才能继续进行。

2、传输速率

标准模式：100Kbit/s

快速模式：400kbit/s

高速模式：3.4Mbit/s

三、工作原理

每一个连接到 IIC 总线上的器件都有一个唯一的器件地址（ ID），主机通过 ID 建立多机通信机制，因此 IIC 总线节省了外围器件的片选信号线。虽然 IIC 总线上可以连接多个主机和多个从机，但是同一时刻，只能有一个主机向总线上发起传输，如果有多个主机同时发起传输，则会根据 IIC 总线的仲裁机制，最终只给一个主机授权，没有得到仲裁的主机则会停止传输。而且， IIC 总线上只能由主机主动发起传输，从机无法主动发起传输，这也就意味着从机和从机之间也

是无法直接交换数据的。

IIC 总线在传输数据时必须遵循规定的数据传输时序，一次完整的数据传输过程中共有四类信号：起始信号、数据信号、应答信号和停止信号。

起始信号：在 SCL 为高电平时， SDA 的电平由高电平跳变为低电平，称为 I2C 总线的起始信号，标志着一次数据传输开始。起始信号由主机主动产生，在产生起始信号之前 I2C 总线必须处于空闲状态。

停止信号：在 SCL 为高电平时， SDA 由低电平跳变为高电平，称为 I2C 总线的停止信号，标志着一次数据传输终止。停止信号由主机主动产生，产生停止信号之后 I2C 总线将返回空闲状态。

数据信号：IIC 总线传输数据时，在 SCL 为高电平时， SDA 必须保持稳定的逻辑电平，高电平表示数据 1 ，低电平表示数据 0 ；只有在 SCL 为低电平时才允许 SDA 上的电平状态改变。

应答信号：IIC 总线传输数据时，每传输一个字节后都必须有一个 SCL 周期的应答信号；与应答信号相对应的时钟由主机产生，发送端必须释放 SDA 使其处于高电平状态，以便接收端在这一个 SCL 周期发出应答信号。

应答信号有两种状态：应答（ACK ）、非应答（ NACK），接收端在应答位期间输出低电平则为应答，输出高电平则为非应答。

当由于某种原因，从机设备不产生应答时，如从机在进行其它处理而无法接收总线上的数据时，必须释放 SDA 总线，然后由主机产生一个停止信号以终止数据传输。

当主机在接收数据时，接收到最后一个字节后，必须给从机发送一个非应答信号，使从机释放总线以便主机可以发送停止信号，终止数据传输。

需要注意的是：在某些情况下，从机在收到一个完整的字节后，有可能因为需要忙于其它工作（如处理内部中断服务）而无法立刻接收下一个字节，这时从机需要将 SCL 拉为低电平，从而强制主机处于等待状态，直到从机准备好接收下一个字节时，再释放 SCL 为高电平状态，从而可以继续传输数据。这种现象称为时钟拉伸（ Clock Stretching ）。