通信协议详解（二）：IIC总线协议（传输时序+数据格式+设计实现）

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一、IIC（Inter-Integrated Circuit）介绍

    IIC（Inter-Integrated Circuit）是一种具有两线传输的串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年为了让主板、嵌入式系统或手机连接低速周边设备而提出，适用于数据量不大且传输距离短的场合。
    IIC串行总线由两根信号线组成，一根是双向的数据线SDA，另一根是单向的时钟线SCL，在空闲状态时，SDA和SCL线都置’1‘，为高电平。

IIC为同步的半双工通信方式

常见的传输速率有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s

二、传输协议

1.时序

    IIC由两根通信信号线组成，SCL是由主模块输入的时钟信号，是单向的信号，而SDA是由主机或从机控制的数据信号，是双向信号。

传输时序

    在空闲状态下，SCL及SDA都是置高的状态，当需要进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，START信号的标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由高变低 ，即视为START开始，STOP信号标识是在SCL高电平情况下，SDA信号由低变高，即视为STOP结束，START信号与STOP信号之间的信号流即为所传输信号。
    IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，所含数据流一般包含地址、片选、读写、数据信号。其基本时序如图1所示，SCL为输入的时钟信号，SDA既可作为数据的输入信号，也可作为数据的输出信号

t_HIGH 和 t_LOW分别为高电平和低电平持续时间；
t_su,sta 和 t_hd,sta分别为开始信号start的建立和保持时间；
t_su,dat 和 t_hd,dat分别为数据信号data的建立和保持时间；
t_su,sto 和 t_hd,sto分别为结束信号stop的建立和保持时间；

图1、IIC传输时序图

写操作时序

    在进行写操作时，SCL一直保持时钟的信号，SDA线的传输以8位为一个单位，在进行第一个8bit的传输后，若从设备接收到传输信号，则会返回一个应答信号ack，然后拉低SDA线，进行下一步的数据写入，写周期时序图如下图所示 ，t_wr 为进行数据写入的时钟周期

图2、IIC写操作时序图

数据有效性

    IIC进行传输时，数据data的改变必须在SCL信号为低电平时进行，在SCL为高电平时保持稳定，此时认为在SCL为高电平时的数据有效，其时序如下图所示

图3、信号变换时序图

开始&结束信号

    IIC传输的开始及结束如下图4所示，在SCL为高电平期间，SDA由高变低，即为start信号；在SCL为高电平期间，SDA信号由低变高，即为stop信号.

图4、start & stop 信号时序图

从机应答信号

    传输过程中的应答信号时序如下图5所示，当检测到start信号后，在随后的8个时钟周期，SDA线进行一次8bit的数据传输，若接收到相应的8bit信号，则在第9个时钟周期拉低SDA信号，并视为一次ack应答信号

图5、ack应答信号时序图

2.数据格式

    进行一次IIC传输时，由START信号指示当前数据传输开始，由STOP信号指示当前的数据传输结束，IIC传输格式每一次传输都是以8bit为一个基本传输单位，一次完整的IIC传输包含

Trans_data = Start + n * Bytes+ n * ack + Stop

基本数据格式如下图所示：

   
    当检测到Start信号时，主机输出8bit的信号，其中前7bit表示从机的地址，为选中的从机信息，第8bit表示当前进行的读写操作，为’1’表示读操作，为’0’表示写操作，然后第9位为从机的应答ack信号，表示指定从机已接收到地址信号，以进行后续的传输；后续的传输以 8 bit + ack 的重复，即 n * Bytes + n * ack 信号来进行数据的传输，最后主机发出Stop信号，即当前的一次IIC传输结束。

三、设计实现

1、时钟

    前面提到IIC一般适用于吞吐量较低的场景，其常见的传输速率(SCL线上时钟)有：100kb/s、300kb/s、3.4Mkb/s，而数字处理逻辑动辄几十百兆速率的系统时钟，因而对于IIC必须要做一个低频的时钟。一个完整的IIC传输过程中会用到三个时钟：1、系统频率时钟；2、IIC传输驱动时钟；3、SCL线上时钟（伪时钟）

时钟信号	定义
System_clk	系统时钟
IIC_dri_clk	IIC驱动时钟
SCL_clk	SCL线上时钟（伪时钟）

    SDA信号数据的改变必须是在SCL为低电平时改变，在SCL为高电平时保持稳定，因而可以得出IIC_dri_clk和SCL_clk的关系，IIC_dri_clk频率应至少为SCL_clk的两倍以上（通常选用四倍频，若选用两倍频则只能在下降沿或在当前数据获取的clk上升沿进行改变，易出现毛刺），SDA才能实现在SCL低电平改变数据。时钟频率关系如下，其中 Freq_div 为 分频系数
                F_{IIC_dri_clk}=4 * F_{SCL_clk}

               Freq_div=F_{System_clk} /F_{IIC_dri_clk}

时钟分频具体实现如下：

assign  Freq_div= (System_clk/SCL_clk) >> 2'd2;

always @(posedge System_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        IIC_clk <=  1'b0;
        clk_cnt <= 10'd0;
    end
    else if(clk_cnt == Freq_div/2 - 1'd1) begin
        clk_cnt <= 10'd0;
        IIC_dri_clk <= ~IIC_dri_clk;
    end
    else
        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
end

2、传输过程

   整个IIC传输过程中，先传器件地址，再传读/写地址，然后再传读/写数据，因而整个传输过程可以用状态机来控制，状态定义及跳转如下图

状态	定义
IDLE	起始状态
SLAVE_ADDR	发送器件地址
WR_ADDR_16	发送16位字地址
WR_DATA	写数据
RD_ADDR	读地址
RD_DATA	读数据
DONE	传输结束

整个状态机具体实现如下：

always @(posedge IIC_dri_clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        state_c <= IDLE;
    else
        state_c <= state_n;
end

 
always @(*) begin
    state_n = IDLE;
    case(state_c)
        IDLE: begin                        
           if(iic_flag) begin
               state_n = Slave_ADDR;
           end
           else
               state_n = IDLE;
        end
        Slave_ADDR: begin
            if(iic_done) begin
                if(bit_ctrl)                   
                   state_n = WR_ADDR_16;
                else
                   state_n = WR_ADDR_8 ;
            end
            else
                state_n = Slave_ADDR;
        end
        WR_ADDR_16: begin                        
            if(iic_done) begin
                state_n = WR_ADDR_8;
            end
            else begin
                state_n = WR_ADDR_16;
            end
        end
        WR_ADDR_8: begin                         
            if(iic_done) begin
                if(wr_flag==1'b0)               
                    state_n = WR_DATA;
                else
                    state_n = RD_ADDR;
            end
            else begin
                state_n = WR_ADDR_8;
            end
        end
        WR_DATA: begin                       
            if(iic_done)
                state_n = DONE;
            else
                state_n = WR_DATA;
        end
        RD_ADDR: begin                       
            if(iic_done) begin
                state_n = RD_DATA;
            end
            else begin
                state_n = RD_ADDR;
            end
        end
        RD_DATA: begin                       
            if(iic_done)
                state_n = DONE;
            else
                state_n = RD_DATA;
        end
        DONE: begin                          
            if(iic_done)
                state_n = IDLE;
            else
                state_n = DONE ;
        end
        default: state_n= IDLE;
    endcase
end

3、 三态门

   在整个IIC传输过程中，SCL信号是由主模块传输给从模块的时钟信号，SDA既可以主机发送从机接收，也可以是主机接收从机发送的信号，因而SDA线是双向的信号，在RTL中用inout接口类型来表示该双向信号，在这里即涉及到一个三态门的实现
   即当IIC进行主机发送从机接收传输时，IIC_flag信号置高，sda线上信号即为主机发送信号，当从机发送主机接收时，IIC_flag信号拉低，此时sda与sda_out信号间为高阻状态，视为断开，此时通过sda_in信号来获取sda信号线上的输入数据
三态门具体实现如下：

assign  sda     = IIC_flag ?  sda_out : 1'bz;     
assign  sda_in  = sda ;