IIC通信协议

一. 什么是IIC通信协议

IIC又称I2CInter-Integrated Circuit即集成电路总线是一种两线式串行总线由PHILIPS公司开发用于连接微控制器及其外围设备。多用于主机和从机在数据量不大且传输距离短的场合下的主从通信。I2C总线由数据线SDA和时钟线SCL构成通信线路既可用于发送数据也可接收数据是一种半双工通信协议。总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

IIC有3种传输模式

• 标准模式100K bit/s
• 快速模式400K bit/s
• 高速模式3.4M bit/s

主机启动总线并产生时钟用于传送数据此时任何接收数据的器件均被认为是从机。I2C器件一般采用开漏结构与总线相连所以I2C_SCL和I2C_SDA均需接上拉电阻也正因此当总线空闲时这两条线路都处于高电平状态当连到总线上的任一器件输出低电平都将使总线拉低。

总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备且每一个设备都会对应一个唯一的地址主从设备通过这个地址来识别确定与哪个设备进行通信。

二. IIC协议时序分析

1. 空闲状态

I2C总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态即释放总线由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

2. 起始信号和停止信号

1起始信号
在SCL保持高电平期间SDA的电平被拉低称为I2C总线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建立的在建立该信号之前I2C总线必须处于空闲状态。

2停止信号
在SCL保持高电平期间SDA被释放返回高电平称为I2C总线的停止信号标志着一次数据传输的终止。停止信号由主机主动建立的建立该信号之后I2C总线将返回空闲状态。

3. 数据传输

在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应或同步控制)即在SCL串行时钟的配合下在 SDA上逐位地串行传送每一位数据。进行数据传送时在 SCL 的高电平期间SDA上的电平必须保持稳定只有在SCL为低电平期间才允许 SDA上的电平改变状态。即数据在SCL的上升沿到来之前就必须准备好并在在下降沿到来之前必须保持稳定。

为什么SDA在SCL低电平期间才允许改变状态
因为当SCL处于高电平状态时SDA拉低表示的是起始位拉高表示的是停止位所以当数据位中0和1出现时如果在SCL高电平状态下SDA状态变化的话就无法区分数据和起始、停止位。

1写操作——字节写

进行字节写操作时首先发送起始位然后依次发送控制字节、地址字节、数据字节每发送完一个字节后需要一个应答信号ACK最后发送停止位。

如果地址超过一个字节在发送地址时先发送地址高字节

• 起始位主机拉低总线。
• 控制字节4bit控制码+3bit片选+1bit读/写标志以24LC04B为例要进行写操作的地址随机的话需要发送的控制字节为1010_0000。
• 应答信号ACK由从机发送给主机从机每接收到一字节数据时向主机发送应答信号ACK确认收到数据此时主机方可进行下一字节数据发送。
• 非应答信号NACK在读操作时如果主机停止读取数据由主机发送给从机非应答信号NACK。
• 停止位主机拉高总线。

2写操作——页写

页写操作写控制字节、地址字节、数据字节的方式与字节写操作基本相同不同的是页写操作可以将多个数据字节临时存储在片上页缓冲器中当主机发送停止信号后这些数据才被写入存储器每接收到一个字内部地址计数器+1。

注意如果在停止信号发出前片上页缓冲器中有超过一页的数据地址计数器自动计满返回先前临时存储的数据将被覆盖24LC04B一次页写最多写入16个字节。

3读操作——当前地址读

24LC04B内置一个自动+1的地址计数器该计数器保留最后一次访问的地址如果先前对地址n进行了读或写操作则下一条读或写操作将从n+1开始读写。注意在读操作时从机不会回复应答信号ACK但是主机会产生非应答信号NACK。

• 起始位主机拉低总线。
• 控制字节4bit控制码+3bit片选+1bit读/写标志以24LC04B为例要进行写操作的地址随机的话需要发送的控制字节为1010_0001。
• 非应答信号NACK在读操作时如果主机停止读取数据由主机发送给从机非应答信号NACK。
• 停止位主机拉高总线。

4读操作——随机读

随机读操作允许主机以任意方式访问从机存储单元在此之前需要主机先发送地址字节给从机完成地址字节的设置此过程是写操作读写标志为0随机读操作将从设置的地址开始读取。

地址字节发送完成后接收应答信号ACK随后主机产生起始信号随后发送控制字节此过程是读操作读写标志为1然后从机响应应答信号并发送8位数据字节最后主机发送非应答信号NACK发送停止位。读取数据完成后内部地址计数器自增1指向下一个地址单元。

5读操作——顺序读

连续读操作启动过程与随机读操作相同但是在连续读操作时从机发送完第一个数据字节后主机发送应答信号ACK进行确认随后从机继续发送连续地址的数据字节发送完最后一个数据字节后主机发送发送非应答信号NACK并发送停止位。

24LC04B内置一个地址指针每次操作完成后指针+1地址指针允许一次操作连续读取整个存储器内容读到最后一个字节时地址指针计满返回0。

三. EEPROM——24LC04B

EEPROM全称电可擦除可编程只读存储器 Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory是一种可以通过电子方式多次复写的半导体存储设备。相比EPROMEEPROM不需要用紫外线照射也不需取下就可以用特定的电压来抹除芯片上的信息以便写入新的数据。

以24LC04B为例
24LC04B的存储容量为512Bytes/4Kbits其内部有两个Block每个Block中有256个字节一个字节为8bit。其读写操作都是以字节8bit为基本单位。

24LC04B EEPROM 存储芯片的控制字节包括:

• 厂商设置的高4位1010这里表设备代码
• 用户需自主设置的低3位 x、x、B0 来选择块地址
• 读写标志1读0写