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IIC通信协议

2023-05-16

IIC通信协议

  • 一. 什么是IIC通信协议？
  • 二. IIC协议时序分析
    • 1. 空闲状态
    • 2. 起始信号和停止信号
    • 3. 数据传输
      • （1）写操作——字节写
      • （2）写操作——页写
      • （3）读操作——当前地址读
      • （4）读操作——随机读
      • （5）读操作——顺序读
  • 三. EEPROM——24LC04B

一. 什么是IIC通信协议？

IIC（又称I2C，Inter-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。
在这里插入图片描述

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。
在这里插入图片描述

（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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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（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。

在这里插入图片描述

（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。

在这里插入图片描述

（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。
在这里插入图片描述

（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。
在这里插入图片描述

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EPROM，EEPROM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
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