IIC总线协议基础1

 

 

 

 

	文档类别
文档标识	IIC总线协议基础1
当前版本	V0.2
作 者	Louis
完成时间	2015-05-27

 

IIC总线协议基础1

IIC总线协议基础1. 1

1．IIC时序基础知识... 2

1.1信号线... 2

1.2开始和结束条件... 2

1.3数据保持时间... 2

1.4应答ACK和非应答NACK. 3

1.4.1应答 ACK. 3

1.4.2非应答 NO ACK. 4

1.4.3注意事项... 4

1.5重复开始【Repeat start】... 5

1.6写入周期【write cycle】... 5

1.7数据传送完整周期... 6

2．IIC设备... 6

2.1设备操作... 6

2.1.1时钟和数据发送... 6

2.1.2开始条件... 7

2.1.3结束条件... 7

2.1.4应答（ACK）... 7

2.1.5待机模式... 8

2.1.6软件复位IIC. 8

2.2设备地址... 8

2.3写操作... 9

2.3.1写Byte字节... 9

2.3.2写PAGE页... 9

2.3.3轮询应答（ACK POLLING）... 10

2.4读操作... 10

2.4.1当前地址读... 10

2.4.2随机地址读... 11

2.4.3连续地址读... 11

3．参考文献... 12

 

 

 

1．IIC时序基础知识

1.1信号线

SDA：双向数据线引脚，用来传输串行数据。引脚一般为开漏结构，可以和其他的开漏极或开集电极进行“线与”。【不同手册上看到有“线或”的说法，应该不对】

SCL：时钟输入引脚。【有些资料说是在SCL的上升沿才能将数据写入AT24C02中，在SCL的下降沿才能从 AT24C02 中读出数据，这是不正确的。实际测试：在SCL的下降沿后再从SDA总线上去读取数据，数据有误。】

 

1.2开始和结束条件

开始时序：在SCL高电平时SDA出现一个下降沿；

结束时序：在SCL高电平时SDA出现一个上升沿；

 

1.3数据保持时间

数据SDL变化必须在SCL低电平的时候变化。并且在SCL高电平时保持不变，否则会被误认为是命令（开始/结束）条件。

1.4应答ACK和非应答NACK

SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位ACK或者非应答位NACK的SDA控制权与数据位传送时相反。

写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。

读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。

 

MASTER 指主控制端，在一般系统中就是我们常说的单片机了；

SLAVE是指具备I2C协议的专用IC，比如24C16、14C32等。

 

1.4.1应答 ACK

在数据发送器发送完8个位数据后，就会把SDA释放（拉高，因为IIC外部上拉）。设备在接收完毕8个位后，在第9个时钟SCL，设备将SDA拉低，产生应答ACK，来告诉数据发送器收到数据了。当发送器检测到SDA被拉低，就知道设备接收器接收完毕数据了。

 

1.4.2非应答 NO ACK

非应答（NACK）一般发生在主机读取数据时，当主机要结束读取数据时，就会发出非应答NACK。

如果slave方是硬件i2c要求一定要标准的NACK，master方是GPIO软件模拟i2c若没有正确的发送NACK，就会出现“slave收不到stop”导致i2c挂死。

1.4.3注意事项

MASTER向SLAVE发送数据

MASTER每次向SLAVE端发送8位数据后，就会将SDA置1，等待SLAVE端的确认；SLAVE端如果正确接受到数据，就会自动将SDA置0。程序能做的只是检测确认信号，即每发送完8位数据后就检测一次SDA的状态，如果是0，则让程序继续往下执行，如果是1则强迫MASTER将刚才的8位数据再发送一遍；当然，如果SDA一直是1，也就是SLAVE一直未能正确接受到数据，也不能一直让MASTER反复发送，要做TIMEOUT处理，以防系统死机。

 

MASTER从SLAVE读取数据：

MASTER从SLAVE端读取数据，情况与发送数据有所区别，在读到最后8位数据时，要将SDA置1，也就是做NACK动作，让系统知道读取数据到此结束；这个置1动作由程序来做，因为数据读到哪里结束，只有程序员知道。

IIC数据传输方式

NOTE：IIC是MSB FIRST传送的

 

 

1.5重复开始【Repeat start】

即在发送完一个字节后（开始+8数据+ACK），没有发送STOP的情况下，继续下一次START（就是指repeatstart）。这个需要注意的是在第9个时钟之后和REPEAT START之间SDA要有一定的延时Tbuf（一般有个最小值）。

 

 

 

 

1.6写入周期【write cycle】

内部写入周期器件，STOP和下一次的START之间需要有个延时Twr，保证设备写好数据。一般手册给出一个Twr最大值。

注意：英文资料里要求24c02内部写数据最大时间为10ms，也就是说在软件设计时，应该把2次写记忆时间间隔控制在大于Twr时间即间隔大于10ms，这样就不会有问题了，不同的芯片Twr时间相差很大，一般以参考手册为准。

 

1.7数据传送完整周期

NOTE：IIC是MSB FIRST传送的

 

 

 

2．IIC设备

（以AT24C02器件为对象来介绍）

2.1 设备操作

2.1.1时钟和数据发送

SDA引脚通常由外部设备上拉。SDA上的数据只有在SCL是low的时候才可以变化。如果SDA上的数据在SCL的high期间内变化，那么将会被认为是开始/结束条件。

 

2.1.2开始条件

在SCL的high期间，SDA从high-到-low变化，就会触发一个开始条件。这个条件必须在其他任何指令开始之前发出的。

 

2.1.3结束条件

在SCL的high期间，SDA从low-到-high变化，就会触发一个结束条件。在读时序之后，收到一个停止条件，将会使EEPROM进入待机模式。

 

2.1.4应答（ACK）

所有的数据和地址信息都是通过8-bit的形式进行来回传输的。EEPROM将发送一个0来应答，表示它已经接收到每个字节了。这个时刻发生在第9个SCL。

 

2.1.5待机模式

AT24C02有待机模式的特性，如下形式将进入待机模式：

（1）上电后；

（2）接收到STOP，或者完成了内部所有操作后；

2.1.6 软件复位IIC

在协议中断，掉电或者系统复位后，可以通过如下步骤进行复位：

（1）发送一个START条件；

（2）发送9个时钟；

（3）再发送一个START条件，并紧跟着一个STOP条件。

2.2 设备地址

2K EEPROM设备需要在一个START条件后面，跟上一个8-bit的设备地址使能芯片读、写功能。

 

设备地址的高4位由固定的1和0组成。通常在EEPROM设备中的高四位地址都是一样的。【不知道为什么？？？】

紧接着3位是2K EEPROM的A2、A1、A0设备地址位，这三位是用来区分EEPROM设备的，需要和硬件地址相等。

最后，第8位是设备地址的READ/WRITE读/写位。此位置1表示读操作，此为置0为写操作。

当设备地址对比之后，EEPROM将会反馈输出一个0.假如比较结果不对，那么芯片（EEPROM）将进入待机状态。

1010 111 R/W	1010 000 R/W

 

 

2.3 写操作

AT24C02设备地址的高4位由固定的1和0组成。接着3位是EEPROM的设备地址位A2、A1、A0。第8位是设备地址的READ/WRITE读/写位。此位置1表示读操作，此为置0为写操作。

2.3.1写Byte字节

写操作需要发送设备地址，并跟随一个8-bit位数据地址和ACK。在接收到地址后，EEPROM将再次响应输出0，然后进入第一个8-bit数据的时钟。接收到8-bit数据后，EEPROM将输出一个0，寻址设备（主设备）必须发送一个STOP条件结束写操作。这样EEPROM就进入内部写入阶段（internally timed write cycle .[twr]），避免外部对memory进行操作。在这个阶段，所有输入无效，并且EEPROM不会有任何响应，直到内部写完毕。

2.3.2写PAGE页

这个2K的EEPROM能够进行8-byte页写入。

Page写入和byte写入的初始化是一样的，只是控制器在发送完第一个数据后，不发送STOP条件。而是在第一个数据的ACK后，连续在发送后面的7个数据字节。EEPROM将在接收到每个数据字节后，均会产生一个ACK来响应（控制器）。发送完8个字节后，控制器必须发送一个STOP条件来结束PAGE写入。

数据地址的低3位bit在接收到每个数据后，都会自动增加。数据地址的高5位bit数据不增加，保持在当前页【row location】。

如果写入数据的地址，自动增加达到了PAGE边缘，那么接下去的字节将会从本页从头开始覆盖存储(“roll over”)。就是所如果在写入页的数据大于8byte（8-byte容量的page），那么多于的数据将会从本页从头写入，并覆盖掉先前的数据。所以在写入数据大于PAGE容量时，在写完一个PAGE，就需要STOP，然后重新开始，并写入下一页的地址，在开始写入数据。

 

 

2.3.3轮询应答（ACKPOLLING）

一旦进入内部写周期，将开启轮询应答，外部对EEPROM的输入将失效。此时如果发送一个START条件，和设备地址给EEPROM，只有当内部写周期完成后，EEPROM设备才会产生应答ACK。

 

 

2.4 读操作

有三种读操作：读取当前地址数据，随机地址读取，连续地址读取。

2.4.1当前地址读

只要芯片电源没有掉电，在进行上一次A地址的读写操作之后，(A+1)地址就会一直有效。在读取数据中出现的“roll over”，指的是从最后一页的最后一个字节，跳到第一页的第一个字节。【和写时候出现的“roll over”是不一样的】

一旦在发送设备地址时，write/read位被设为1，并得到EEPROM应答ACK，那么当前地址（就是前文中的【A+1】地址）的数据就会被输出。控制器接收到数据后，不产生应答ACK【即产生非应答（NACK）】，而是在后面产生一个STOP条件。

【非应答：当控制器想结束访问数据后，就将SDA拉高，结束读取数据。但记得在NACK后要跟随一个STOP】。

 

 

2.4.2随机地址读

随机读取数据，需要一个“dummy”操作，即：发送设备地址+写操作（得到EEPROM应答ACK），并跟随发送需要访问数据的地址。当这个动得到EEPROM的应答ACK，控制器必须再次产生一个START条件，接着发送设备地址+读操作，在得到EEPROM应答ACK后，EEPROM接着就会发送出控制器要访问数据的地址。控制器接收到数据后，不产生应答ACK【即产生非应答（NACK）】，而是在后面产生一个STOP条件。

 

可以看出“随机地址读”比“当前地址读”多了一个“伪写入”动作：

2.4.3 连续地址读

连续读取初始化，可以通过“当前地址读取”或者“随机地址读取”操作来启动。只是在控制器接收到以第一字节后，控制器需要产生一个应答ACK给EEPROM。EEPROM一旦收到ACK，EEPROM就会继续将数据地址+1，发送数据。

当EEPROM的memory地址到达极限后，数据地址将会“roll over”，同时会继续读取数据。当控制器要终止连续读操作，控制器不产生应答ACK【即产生非应答（NACK）】，而是在后面产生一个STOP条件。

 

注意：

当控制器要终止连续读操作，直接给停止信号也是可以结束此次读操作，但是会对后面的操作带来影响。非应答信号在需要的时候必须给。

 

 

 

3．参考文献

[1] Atmel AT24C02B datasheet

[2] NXP Semiconductors UM10204 datasheet

[3] http://blog.csdn.net/bmbm546/article/details/8833956

[4] http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/8237881

[5] http://www.52rd.com/bbs/Archive_Thread.asp?SID=196579&TID=3

[6]http://blog.sina.com.cn/s/blog_5f103c9c0100ly0r.html