【精选】I2C通信协议详解 |
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据非官方统计,90%电子行业的公众号都介绍过3种串行通讯协议:UART、SPI和I2C。这3种串行协议也是电子开发行业最常用的协议。前面介绍了串口通讯协议及其FPGA实现,SPI协议。本篇文章介绍I2C通讯协议及其FPGA实测波形。 1.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。 2.5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) 3.4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。 4.读写时序 向指定寄存器地址写入指定数据操作时序: 5.7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: 6.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: 7.FPGA实测I2C波形 FPGA实现UART、SPI、I2C等串行时序,最常用的实现方式就是状态机大法,将各个步骤分解为各个状态,然后根据不同的状态去控制输出或读取输入,细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转,不能进入死循环,或卡死在某一个状态。 I2C控制状态机状态定义: //general S0_IDLE = 0, S1_START1 = 1, S2_CTRL_BYTE1 = 2, S3_ACK1 = 3, S4_ADDR = 4, S5_ACK2 = 5, //write: 0-1-2-3-4-5->6-7-13-14 S6W_DATA = 6, S7W_ACK3 = 7, //read: 0-1-2-3-4-5->8-9-10-11-12-13-14 S8R_START2 = 8, S9R_CTRL_BYTE2 = 9, S10R_ACK3 = 10, S11R_DATA = 11, S12R_NACK = 12, //general S13_STOP = 13, S14_DONE = 14, S15_ERR = 15;注意SDA双向端口的方向控制。 output eeprom_scl, inout eeprom_sda, localparam DIR_IN = 1'b0; localparam DIR_OUT = !DIR_IN; reg dir; reg i2c_sda; reg i2c_scl; assign eeprom_scl = i2c_scl; assign eeprom_sda = (dir == DIR_OUT) ? i2c_sda : 1'bz; wire sda_in = eeprom_sda;SDA应该在第9个SCL时钟周期设置为输入状态: 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高电平期间进行数据采样。 两者大多都应用于板内器件短距离通讯。 官方标准文档下载 目前网上比较详细的介绍I2C文档主要有以下3个: I2C官方标准文档_UM10204 I2C的官方文档是原飞利浦(Philips)半导体事业部,现恩智浦(NXP)半导体发布的UM10204文档,全文共64页,是目前最权威最详细的I2C协议介绍文章,最新版本Rev. 6发布于20140404,UM10204_4 April 2014: I2C-bus specification and user manual_Rev.6 TI:理解I2C文档_SLVA704 TI在2015年发布了一篇SLVA704文档, 全文共8页,精简的概括了I2C协议的电气特性,操作时序,读写时序等,比较适合I2C入门学习。 ZLG:I2C总线规范中文版 这篇文档发布于2000年左右,是对飞利浦官方文档UM10204_v2.1的翻译。 I2C协议文档只是最基础的文档,具体寄存器读写操作等操作,还是要结合所使用芯片的数据手册来使用。 原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/bwb-I5rHd321oZwyuaVSDA |
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