板内板间通信协议及接口（三）I2C

这节展开I2C通信协议的简介。

I2C是什么
在消费电子，工业电子等领域，会使用各种类型的芯片，如微控制器，电源管理，显示驱动，传感器，存储器，转换器等，他们有着不同的功能，有时需要快速的进行数据的交互，为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通，于是I2C诞生了，I2C(Inter－Integrated Circuit)是一种通用的总线协议。它是由Philips(飞利浦)公司，现NXP(恩智浦)半导体开发的一种简单的双向两线制总线协议标准。

对于硬件设计人员来说，只需要2个管脚，极少的连接线和面积，就可以实现芯片间的通讯，对于软件开发者来说，可以使用同一个I2C驱动库，来实现实现不同器件的驱动，大大减少了软件的开发时间。极低的工作电流，降低了系统的功耗，完善的应答机制大大增强通讯的可靠性。

5种速率
I2C协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。

标准模式(Standard)：100kbps
快速模式(Fast)：400kbps
快速模式+(Fast-Plus)：1Mbps
高速模式(High-speed)：3.4Mbps
超快模式(Ultra-Fast)：5Mbps（单向传输）

【bps：bit/s，即SCL的频率】

其中超快模式是单向数据传输，通常用于LED、LCD等不需要应答的器件，和正常的I2C操作时序类似，但是只进行写数据，不需要考虑ACK应答信号。

在I2C协议的官方文档NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章节分别进行介绍。

4种信号
I2C协议最基础的几种信号：起始、停止、应答和非应答信号。

起始信号
I2C协议规定，SCL处于高电平时，SDA由高到低变化，这种信号是起始信号。

停止信号
I2C协议规定，SCL处于高电平，SDA由低到高变化，这种信号是停止信号。

数据有效性

I2C协议对数据的采样发生在SCL高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，SCL为高电平时，SDA必须保持稳定，不允许改变，在SCL低电平时才可以进行变化。

应答信号
I2C最大的一个特点就是有完善的应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“我收到了”。

应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

使用MCU、FPGA等控制器实现时，需要在第9个SCL时钟周期把SDA设置为高阻输入状态，如果读取到SDA为低电平，则表示数据被成功接收到，可以进行下一步操作。

非应答信号

当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号。

非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：

I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备
从机正在执行一些操作，处于忙状态，还没有准备好与主机通讯
主机发送的一些控制命令，从机不支持
主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了
读写时序
向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：

注意，读数据时有两次起始信号。

7位和10位地址

大多数I2C器件支持7位地址模式，有一些器件还支持10位地址，而且两种类型的器件可以连接在同一个I2C总线上，目前10位地址的器件还没有被广泛使用。

主机发送，从机接收。使用10位地址进行写时序：

主机接收，从机发送。使用10位地址进行读时序：

I2C保留字节

I2C读写时起始位之后的第一个字节，除了厂商指定的设备地址外，还有一些保留字节，主要有两组0000 xxx和1111 xxx，保留字节的含义：

上述的10位地址模式，就是使用到了最后一种保留字节。

第一种广播模式，可以通过写入第二个字节06h来复位I2C总线上所有的从机器件。具体操作时序可以查看文档NXP_UM10204_I2C-bus specification and user manual_Rev.6：3.1.12 Reserved addresses章节有详细介绍。其中device ID控制字（1111 1xx1），可以读取I2C器件内部的24位器件ID，通过对照NXP I2C协议器件列表可以查询到器件所属的厂商和型号。

设备ID与器件厂商对应表

SPI和I2C的对比
I2C是半双工，SPI是全双工。

I2C支持多主多从模式，而SPI只能有一个主机。

从GPIO占用上来看，I2C占用更少的GPIO，更节省资源。

I2C有应答响应机制，数据可靠性更高，SPI没有应答机制。

I2C速率不会太高，最高速率3.4Mbps，SPI可以达到很高的速率。

I2C通过器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致GPIO的增加，而SPI通过CS选择从机，每增加一个从机就要多占用一个GPIO。

SPI协议在SCLK边沿进行数据采样，I2C在SCL高电平器件进行数据采样。

两者大多都应用于板内器件短距离通讯。

1.IIC简介
        I2C是一种同步通信，以半双工方式传送的串行总线。由数据线SDA和时钟SCL构成的，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，高速IIC总线一般可达400kbps以上。

2.读写数据概念
        1.读数据：指MCU从器件的数据总线上根据一定的时序来读取器件的数据。一般而言，MCU提供一个边沿信号，告诉器件可以发数据了，器件检测到边沿信号以后，立即在数据总线上更新数据，待数据稳定以后，MCU即可读取数据。

      2. 写数据：是指MCU向器件写入数据，其操作是：先将数据放置在数据总线上，等待其稳定之后，MCU产生一个边沿信号，将数据写入器件

      3.IIC总线读写数据

读数据：MCU发出边沿信号（下降沿）告诉器件发送数据，检测到边沿信号之后，器件更新数据，等待稳定之后MCU读取数据。
写数据：MCU先将数据放置在数据总线上，等待其稳定之后，从机检测到边沿信号（上升沿）后写数据到器件
3.IIC协议
       1. 包含空闲状态、起始信号、停止信号、应答信号、数据的有效性、数据传输

空闲状态：I2C总线总线的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
起始信号：当SCL为高期间，SDA由高到低的跳变
停止信号：当SCL为高期间，SDA由低到高的跳变

应答信号：发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。 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；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。
对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。 如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号P。

数据的有效性：I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定。只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。
即：数据在SCL的上升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定

简单来讲：（先忽略应答信号；图中SCL为同一个脉冲）

4.总结
参考博客：I2C 时序详解，精确到每一个时钟_谁de如花的博客-CSDN博客_i2c时钟

4.1 MCU通过IIC写数据到器件，连续写入两个字节

要点：

SCL低电平期间，SDA允许数据变化，主机可以将一位数据送到SDA上，所以要设置主机的SDA为输出、拉低SCL。
SCL高电平期间，SDA数据稳定，往从机写入数据。8个持续脉冲，完成一个字节的写入。
第9个脉冲，从机在低电平期间将应答信号放到SDA上，主机在高电平期间读取SDA，所以要设置主机的SDA为输入，SDA为0则应答，SDA为1则非应答

 4.2 MCU通过IIC读取器件的数据，读取两个字节

要点：

主机要读取数据，所以设置SDA为输入
时钟下降沿通知从机要将数据放在SDA上，并在低电平期间从机会将一位数据放置在SDA上，接下来的高电平期间，数据稳定了，主机在读取SDA数据
8个持续脉冲，完成一个字节的读取
5.正点原子的程序实例：

#define SDA_IN()  {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)8<<28;}
#define SDA_OUT() {GPIOB->CRL&=0X0FFFFFFF;GPIOB->CRL|=(u32)3<<28;}

//IO操作函数    
#define IIC_SCL    PBout(6) //SCL
#define IIC_SDA    PBout(7) //SDA    
#define READ_SDA   PBin(7)  //输入SDA

//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{                         
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(    RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );    //使能GPIOB时钟
       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;   //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);     //PB6,PB7 输出高
}

//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();     //sda线输出
    IIC_SDA=1;            
    IIC_SCL=1;
    delay_us(4);
     IIC_SDA=0;//when CLK is high,DATA change form high to low
    delay_us(4);
    IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}      

//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();//sda线输出
    IIC_SCL=0;
    IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
     delay_us(4);
    IIC_SCL=1;
    IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
    delay_us(4);                                   
}

//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
    u8 ucErrTime=0;
    SDA_IN();      //SDA设置为输入  
    IIC_SDA=1;delay_us(1);       
    IIC_SCL=1;delay_us(1);    
    while(READ_SDA)
    {
        ucErrTime++;
        if(ucErrTime>250)
        {
            IIC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL=0;//时钟输出0        
    return 0;  
}
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=0;//低电平期间将SDA线拉低
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答            
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL=0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA=1;//低电平期间不拉低SDA线
    delay_us(2);
    IIC_SCL=1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL=0;
}  

                                       
//MCU通过IIC往从机写入一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答              
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
    SDA_OUT();//设置SDA 为输出      
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;//SCL低电平期间，主机将一位数据放置SDA上
        txd<<=1;       
        delay_us(2);  
        IIC_SCL=1;//SCL高电平期间，往从机写入数据
        delay_us(2);
        IIC_SCL=0;    
        delay_us(2);
    }    
}         
//MCU通过IIC读取从机一个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
    unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        IIC_SCL=0;//SCL低电平期间，从机将数据放在SDA上
        delay_us(2);
        IIC_SCL=1;//SCL高电平期间，主机读取SDA数据
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
        delay_us(1);
    }                    
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

6.2402芯片的使用

（1）芯片的寻址：
        AT24C设备地址为如下，前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。A2-A0=000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1,写地址为0xA0。

也就是说如果是
写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

（2）片内地址寻址：

      芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。
具体解释：
        由于24C02只有256个字节的存储空间，所以只需要1个字节就可以寻址完24C02的存储空间，但是无法寻址完更大容量的存储IC，比如24C04的存储容量是512字节，需要9个bit的地址位才能寻址完。由上图可以看到，24C04的设备地址内是没有A0参数的，被a8代替了，这个a8就是24C04的第9个bit的地址位，也就是说24C04的A0引脚是不起作用的，这样也就造成了在I2C总线上只能同时挂载4个24C04芯片。其它存储器如24C08、24C16也可以这么类推。

24C02的WP引脚是写保护引脚，当WP引脚接高电平的时，24C02只能进行读取操作，不能进行写操作。只有当WP引脚悬空或接低电平时，24C02才能进行写操作。
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