【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议

1、IIC简介

        I2C(Inter-integrated Circuit集成电路总线)总线支持设备之间的短距离通信,用于处理器和一些外围设备之间的接口,它只需要两根信号线来完成信息交换。I²C的一个特殊优势是微控制器只需两个通用I / O引脚和软件即可控制器件芯片网络。I2C最早是飞利浦在1982年开发设计并用于自己的芯片上,一开始只允许100kHz、7-bit标准地址。1992年,I2C的第一个公共规范发行,增加了400kHz的快速模式以及10-bit扩展地址。

        在I2C的基础上,1995年Intel提出了“System Management Bus” (SMBus),用于低速设备通信,SMBus 把时钟频率限制在10kHz~100kHz,但I2C可以支持0kHz~5MHz的设备:

  • 普通模式(100kHz即100kbps)、
  • 快速模式(Fm)(400kHz)、
  • 快速模式+(Fs+)(1MHz)、
  • 高速模式(Hs)(3.4MHz)、
  • 超高速模式(UFm)(5MHz)。

注:基于IIC是Master与Slave模式,所以两者间的通信要保持时钟频率的一致。IIC是半双工。

2、 IIC应用

       I²C适用于外围设备,其简单性和低制造成本比速度更重要。I²C总线的常见应用包括:

  • 通过小型ROM配置表描述可连接设备,以实现“ 即插即用 ”操作,例如:
  1. 双列直插式内存模块(DIMM)上的串行存在检测(SPD)EEPROM
  2. 通过VGA,DVI和HDMI连接器为显示器提供扩展显示识别数据(EDID)。
  • 通过SMBus对PC系统进行系统管理;
  1. SMBus引脚分配在常规PCI和PCI Express连接器中。
  • 访问保持用户设置的实时时钟和NVRAM芯片。
  • 访问低速DAC和ADC。
  • 更改显示器中的对比度,色调和色彩平衡设置(通过显示数据通道)。
  • 改变智能扬声器的音量。
  • 控制小型(例如功能手机)OLED或LCD显示器。
  • 读取硬件监视器和诊断传感器,例如风扇的速度。
  • 打开和关闭系统组件的电源

3、IIC协议

       I2C协议把传输的消息分为两种类型的帧:

                地址帧 —— 用于master指明消息发往哪个slave;

                数据帧(单个或者连续) —— 由master发往slave的数据(或由slave发往master),每一帧是8-bit的数据。

       通常我们所说的IIC读写是相对于Master来说的。

        SCL变为低电平后,数据置于SDA线上,并在SCL线变为高电平后进行采样。时钟边沿和数据读/写之间的时间由总线上的器件定义,并且在芯片与芯片之间会有所不同。

下图描述的是一个IIC完整时序图,从左往右依次看,大致总结为两类:

IIC寄存器的标准流程

  1. Master发起START
  2. Master发送I2C addr(7bit)和w操作0(1bit),等待ACK
  3. Slave发送ACK
  4. Master发送reg addr(8bit),等待ACK
  5. Slave发送ACK
  6. Master发送data(8bit),即要写入寄存器中的数据,等待ACK
  7. Slave发送ACK第6步和第7步可以重复多次,即顺序写多个寄存器
  8. Master发起STOP

IIC寄存器流程:

  1. Master发送I2Caddr(7bit)和 W操作1(1bit),等待ACK
  2. Slave发送ACK
  3. Master发送reg addr(8bit),等待ACK
  4. Slave发送ACK
  5. Master发起START
  6. Master发送I2C addr(7bit)和 R操作1(1bit),等待ACK
  7. Slave发送ACK
  8. Slave发送data(8bit),即寄存器里的值
  9. Master发送ACK
  10. 第8步和第9步可以重复多次,即顺序读多个寄存器

【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议_第1张图片

下面会详细这些流程:

3.1 开始条件(Start Condition)

        要启动地址帧,MasterSCL保持为高电平并将SDA拉低。也就是说,开始条件表现为:SCL为高电平时,SDA线上的高电平到低电平的跳变即定义了START条件。这使得所有Slave都注意到传输即将开始。如果两个Master希望一次获得总线的所有权,则无论哪个设备将SDA拉低,第一个将SDA拉低的将获得对总线的控制权。Master可以发出重复启动,启动新的通信序列而不放弃对其他Master的控制我们稍后再谈。 

https://img-blog.csdn.net/20170820192543246?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvamFzb25jaGVuX2diZA==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast

 

3.2 地址帧(Address Frame)

        在任何新的通信序列中,地址帧始终是第一个。对于7位地址,地址首先输出最高有效位(MSB),然后是R / W位,指示这是读(1)还是写(0)操作。

        帧的第9位是NACK / ACK位。所有帧(数据或地址)都是这种情况。一旦发送帧的前8位,接收设备就可以控制SDA。如果接收设备在第9个时钟脉冲之前没有将SDA线拉低,则可以推断出接收设备要么没有接收到数据,要么不知道如何解析消息。在这种情况下,则由master来决定如何处理(stop或repeated start condition),也就是代码中等待超时需要做什么处理。

【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议_第2张图片

 

3.3 数据帧(Data Frame)

        在发送地址帧之后,可以开始传输数据。Master将以规则的间隔继续生成时钟脉冲,数据将由Master或Slave置于SDA上,具体取决于R / W位是否指示读或写操作。数据帧的数量是任意的,并且大多数从器件将自动递增内部寄存器,这意味着后续读取或写入将来自下一个寄存器。

3.3.1 写一个寄存器:

3.3.2 写多个寄存器:

3.3.3 读一个寄存器:

图片缺失

3.3.4读多个寄存器:

3.4 停止条件(Stop Condition)

        一旦发送了所有数据帧,主设备将生成停止条件。停止条件由SCL上0-> 1转换后 SDA上的0-> 1(低到高)转换定义,SCL保持高电平。在正常的数据写操作时,SDA上的值应该不会当SCL为高电平改变,以避免错误的停止条件。图如3.1小节所示。

4、IIC协议的高级特性

4.1 10-bit地址

       在10-bit地址的I2C系统中,需要两个帧来传输slave的地址。第一个帧的前5个bit固定为b11110,后接slave地址的高2位,第8位仍然是R/W位,接着是一个ACK位,由于系统中可能有多个10-bit slave设备地址的高2bit相同,因此这个ACK可能由多有slave设备设置。第二个帧紧接着第一帧发送,包含slave地址的低8位(7:0),接着该地址的slave回复一个ACK(或NACK)。

注意:10-bit地址的设备和7-bit地址的设备在一个系统中是可以并存的,因为7-bit地址的高5位不可能是b11110。实际上对于7-bit的从设备地址,合法范围为b0001XXX-b1110XXX,’X’表示任意值,因此该类型地址最多有112个(其他为保留地址[1])。

        两个地址帧传输完成后,就开始数据帧的传输了,这和7-bit地址中的数据帧传输过程相同。

【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议_第3张图片

4.2 重复开始条件(repeated start condition)

        有时master需要在一次通信中进行多次消息交换(例如与不同的slave传输消息,或切换读写操作),并且期间不希望被其他master干扰,这时可以使用“重复开始条件”

        在一次通信中,master可以产生多次start condition,来完成多次消息交换,最后再产生一个stop condition结束整个通信过程。由于期间没有stop condition,因此master一直占用总线,其他master无法切入。

        为了产生一个重复的开始条件,SDA在SCL低电平时拉高,然后SCL拉高。接着master就可以产生一个开始条件继续新的消息传输(按照正常的7-bit/10-bit地址传输时序)。重复开始条件的传输时序如下图所示:

【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议_第4张图片

 

4.3 时钟拉伸

       有时,低速slave可能由于上一个请求还没处理完,尚无法继续接收master的后续请求,即master的数据传输速率超过了slave的处理能力。这种情况下,slave可以进行时钟拉伸来要求master暂停传输数据。

       通常时钟都是由master提供的,slave只是在SDA上放数据或读数据。而时钟拉伸则是slave在master释放SCL后,将SCL主动拉低并保持,此时要求master停止在SCL上产生脉冲以及在SDA上发送数据,直到slave释放SCL(SCL为高电平)。之后,master便可以继续正常的数据传输了。可见时钟拉伸实际上是利用了时钟同步的机制(见下文),只是时钟由slave产生。

       如果系统中存在这种低速slave并且slave实现了clock stretching,则master必须实现为能够处理这种情况,实际上大部分slave设备中不包含SCL驱动器的,因此无法拉伸时钟。

       所以更完整的I2C数据传输时序图为:

【硬件通信协议】1. 详细解析IIC通信协议_第5张图片

 

4.4 时钟同步和仲裁

        如果两个master都想在同一条空闲总线上传输,此时必须能够使用某种机制来选择将总线控制权交给哪个master,这是通过时钟同步和仲裁来完成的,而被迫让出控制权的master则需要等待总线空闲后再继续传输。在单一master的系统上无需实现时钟同步和仲裁。

4.5时钟同步

        时钟同步是通过I2C接口和SCL之间的线“与”(wired-AND)来完成的,即如果有多个master同时产生时钟,那么只有所有master都发送高电平时,SCL上才表现为高电平,否则SCL都表现为低电平。

4.6总线仲裁

        总线仲裁和时钟同步类似,当所有master在SDA上都写1时,SDA的数据才是1,只要有一个master写0,那此时SDA上的数据就是0。一个master每发送一个bit数据,在SCL处于高电平时,就检查看SDA的电平是否和发送的数据一致,如果不一致,这个master便知道自己输掉仲裁,然后停止向SDA写数据。也就是说,如果master一直检查到总线上数据和自己发送的数据一致,则继续传输,这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的master不会丢失数据。

        输掉仲裁的master在检测到自己输了之后也不再产生时钟脉冲,并且要在总线空闲时才能重新传输。

        仲裁的过程可能要经过多个bit的发送和检查,实际上两个master如果发送的时序和数据完全一样,则两个master都能正常完成整个的数据传输。

维基百科参考代码:

// Hardware-specific support functions that MUST be customized:
#define I2CSPEED 100
void I2C_delay(void);
bool read_SCL(void);  // Return current level of SCL line, 0 or 1
bool read_SDA(void);  // Return current level of SDA line, 0 or 1
void set_SCL(void);   // Do not drive SCL (set pin high-impedance)
void clear_SCL(void); // Actively drive SCL signal low
void set_SDA(void);   // Do not drive SDA (set pin high-impedance)
void clear_SDA(void); // Actively drive SDA signal low
void arbitration_lost(void);

bool started = false; // global data

void i2c_start_cond(void) {
  if (started) { 
    // if started, do a restart condition
    // set SDA to 1
    set_SDA();
    I2C_delay();
    set_SCL();
    while (read_SCL() == 0) { // Clock stretching
      // You should add timeout to this loop
    }

    // Repeated start setup time, minimum 4.7us
    I2C_delay();
  }

  if (read_SDA() == 0) {
    arbitration_lost();
  }

  // SCL is high, set SDA from 1 to 0.
  clear_SDA();
  I2C_delay();
  clear_SCL();
  started = true;
}

void i2c_stop_cond(void) {
  // set SDA to 0
  clear_SDA();
  I2C_delay();

  set_SCL();
  // Clock stretching
  while (read_SCL() == 0) {
    // add timeout to this loop.
  }

  // Stop bit setup time, minimum 4us
  I2C_delay();

  // SCL is high, set SDA from 0 to 1
  set_SDA();
  I2C_delay();

  if (read_SDA() == 0) {
    arbitration_lost();
  }

  started = false;
}

// Write a bit to I2C bus
void i2c_write_bit(bool bit) {
  if (bit) {
    set_SDA();
  } else {
    clear_SDA();
  }

  // SDA change propagation delay
  I2C_delay();

  // Set SCL high to indicate a new valid SDA value is available
  set_SCL();

  // Wait for SDA value to be read by slave, minimum of 4us for standard mode
  I2C_delay();

  while (read_SCL() == 0) { // Clock stretching
    // You should add timeout to this loop
  }

  // SCL is high, now data is valid
  // If SDA is high, check that nobody else is driving SDA
  if (bit && (read_SDA() == 0)) {
    arbitration_lost();
  }

  // Clear the SCL to low in preparation for next change
  clear_SCL();
}

// Read a bit from I2C bus
bool i2c_read_bit(void) {
  bool bit;

  // Let the slave drive data
  set_SDA();

  // Wait for SDA value to be written by slave, minimum of 4us for standard mode
  I2C_delay();

  // Set SCL high to indicate a new valid SDA value is available
  set_SCL();

  while (read_SCL() == 0) { // Clock stretching
    // You should add timeout to this loop
  }

  // Wait for SDA value to be written by slave, minimum of 4us for standard mode
  I2C_delay();

  // SCL is high, read out bit
  bit = read_SDA();

  // Set SCL low in preparation for next operation
  clear_SCL();

  return bit;
}

// Write a byte to I2C bus. Return 0 if ack by the slave.
bool i2c_write_byte(bool send_start,
                    bool send_stop,
                    unsigned char byte) {
  unsigned bit;
  bool     nack;

  if (send_start) {
    i2c_start_cond();
  }

  for (bit = 0; bit < 8; ++bit) {
    i2c_write_bit((byte & 0x80) != 0);
    byte <<= 1;
  }

  nack = i2c_read_bit();

  if (send_stop) {
    i2c_stop_cond();
  }

  return nack;
}

// Read a byte from I2C bus
unsigned char i2c_read_byte(bool nack, bool send_stop) {
  unsigned char byte = 0;
  unsigned char bit;

  for (bit = 0; bit < 8; ++bit) {
    byte = (byte << 1) | i2c_read_bit();
  }

  i2c_write_bit(nack);

  if (send_stop) {
    i2c_stop_cond();
  }

  return byte;
}

void I2C_delay(void) { 
  volatile int v;
  int i;

  for (i = 0; i < I2CSPEED / 2; ++i) {
    v;
  }
}

【硬件通信协议】2. SPI通信协议

 

参考链接:

[1]: http://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf I2C总线规格书和用户手册Rev.6 
[2]: https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c SparkFun I2C手册

[3]: https://blog.csdn.net/lingfeng5/article/details/73361833

[4]: https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C

 

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