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传输距离短的场合下的主从通信。I2C总线由数据线SDA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。
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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。
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(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。

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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。

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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。

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(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。

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(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。
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(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。
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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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