【车载开发系列】IIC总线协议时序图

【车载开发系列】IIC总线协议时序图

一、前言

• IIC协议是一种具有自动寻址、高低速设备同步和仲裁等功能的高性能串行总线，它是一个真正的多主机总线，支持一对多（一主多从）、多对多传输（多主多从）。
• 它是各种总线协议中使用信号线最少的，只需要两根线便可以实现功能。
• 连在IIC总线上的每个器件都有一个唯一的地址识别。其中高四位A7-A4是从机器件的固定编址，出厂时就已给定；A3-A1是从机器件的引脚地址，通过接地接电源来形成地址。

术语	描述
发送器	发送数据到总线的器件
接收器	从总线接收数据的器件
主机	初始化总线的数据，传输并产生允许传输的时钟信号和起始终止发送的器件
从机	被主机寻址的器件
多主机	同时有多于一个主机尝试控制总线，但不破坏报文
仲裁	是一个在有多个主机同时尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使报文不被破坏
同步	两个或多个器件同步时钟信号的过程

二、IIC硬件软件实现

• I2C有两种实现方式：一种是GPIO软件模拟，另一种是直接使用I2C硬件。
• 时钟线完全由主机控制。而从机只有对SDA的（短暂）控制权。通常使用I2C通信，SCL和SDA线上都会接一个上拉电阻，要么是在外设的内部，要么是在外面可以直接通过外设的硬件接线图看到。
• 硬件连接图如下
  

1）使用I2C控制器实现

就是使用芯片上的I2C外设，也就是硬件I2C，它有相应的I2C驱动电路，有专用的IIC引脚，效率更高，写代码会相对简单，只要调用I2C的控制函数即可，不需要用代码去控制SCL、SDA的各种高低电平变化来实现I2C协议，只需要将I2C协议中的可变部分（如：从设备地址、传输数据等等）通过函数传参给控制器，控制器自动按照I2C协议实现传输，但是如果出现问题，就只能通过示波器看波形找问题。

2）使用GPIO通过软件模拟实现

软件模拟I2C比较重要，因为软件模拟的整个流程比较清晰，哪里出来bug，很快能找到问题，模拟一遍会对I2C通信协议更加熟悉。
如果芯片上没有IIC控制器，或者控制接口不够用了，通过使用任意IO口去模拟实现IIC通信协议，手动写代码去控制IO口的电平变化，模拟IIC协议的时序，实现IIC的信号和数据传输。

三、I2C协议标准代码

1）起始信号

起始信号：当 SCL 线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。

void I2C_Start(void){
    // 总线空闲, SCL和SDA输出高
    I2C_SDA_High();     //SDA=1
    I2C_SCL_High();     //SCL=1
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_Low();     // SDA由高变低
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low();     // 拉低SCL开始传输数据
    I2C_Delay();       
}

2）停止信号

终止信号：SCL为高电平时，SDA由低向高跳变。

 void I2C_Stop(void){
    I2C_SDA_Low();     //SDA=0 把数据线设置为输出模式
    I2C_SCL_High();    // 拉高时钟线
    I2C_Delay();
    I2C_SDA_High();     // SDA由低变高
    I2C_Delay();
}

3）发送一个字节

CPU向I2C总线设备发送一个字节（8bit）数据

uint8 I2C_SendByte(uint8_t Byte){
    uint8_t i;
    /* 先发送高位字节 */
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++){
        if(Byte & 0x80){
            I2C_SDA_High();
        }
        else{
            I2C_SDA_Low();
        }
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_High();
        I2C_Delay();
        I2C_SCL_Low();
        I2C_Delay();
        if(i == 7){
            I2C_SDA_High();/* 释放SDA总线 */
        }
        Byte <<= 1;/* 左移一位 */
        I2C_Delay();
    }
}　

4）读取一个字节

CPU从I2C总线设备上读取一个字节（8bit数据）

uint8_t I2C_ReadByte(void)
{
    uint8_t i;
    uint8_t value;
 
    /* 先读取最高位即bit7 */
    value = 0;
    for(i = 0 ; i < 8 ; i++)
    {
        value <<= 1;
        I2C_SCL_High();
        I2C_Delay();
        if(I2C_SDA_READ())
        {
            value++;
        }
        I2C_SCL_Low();
        I2C_Delay();
    }
 
    return value;
}

5）ACK应答

CPU产生一个ACK信号
当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功；

void I2C_Ack(void)
{
    I2C_SDA_Low();  //SDA=0 当SDA是低电平为有效应答(ACK)，表示对方接收成功；
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low(); // 拉低SCL开始传输数据
    I2C_Delay(); 
    I2C_SDA_High();  //SCL_Low之后，SDA=0->1
}

6）NACK应答

CPU产生一个非ACK信号
当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功。

void I2C_NoAck(void)
{
    I2C_SDA_High();  //SDA=1 当SDA是高电平为无效应答(NACK)，表示对方没有接收成功。
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_Low();// 拉低SCL开始传输数据
    I2C_Delay();
}

7）ACK应答信号

CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
发送数据需要等待接收方的应答：

// 等待ACK   1-无效    0-有效
uint8_t I2C_WaitToAck(void)
{
    uint8_t redata;
 
    I2C_SDA_High();// 拉高数据线(设置为输入)
    I2C_Delay();
    I2C_SCL_High();// 拉高时钟线
    I2C_Delay();
 
    if(I2C_SDA_READ())
    {
        redata = 1; //ACK应答无效
    }
    else
    {
        redata = 0; //ACK应答有效
    }
    I2C_SCL_Low(); // 拉低SCL开始传输数据
    I2C_Delay();
 
    return redata;
} 

二、向IIC总线写数据

首先我们先来看一下写数据的时序图，如下图所示：

将上图中的写数据时序图进行分解，经分解后如下图所示：

• 第一步，发送一个起始信号。
• 第二步，发送7bit从机地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写，这里是写。
• 第三步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
• 第四步，发送寄存器地址，8bit数据。
• 第五步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
• 第六步，发送一个数据，8bit数据。
• 第七步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答信号。
• 第八步，发送一个CRC校验码，此CRC校验值为2、4、6步数据产生的校验码。
• 第九步，既可以发送一个应答信号，也可以发送一个无应答信号，均有从机器件产生。
• 第十步，发送一个停止信号。
  

uint8_t I2C_WriteBytes(void)
{
    I2C_Start();                    //1
    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
    I2C_WaitToAck();                //3
    I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
    I2C_WaitToAck();                //5
    I2C_SendByte(data);             //6
    I2C_WaitToAck();                //7
    I2C_SendByte(crc);              //8
    I2C_WaitToAck();                //9
    I2C_Stop();                     //10
}

三、向IIC总线读数据

读数据的时序图如下图所示：

读数据的时序图经分解后如下图所示：

• 第一步，发送一个起始信号。
• 第二步，发送7bit从机地址，此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。
• 第三步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
• 第四步，发送寄存器地址。
• 第五步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
• 第六步，再次发送一个起始信号。
• 第七步，发送7bit从机地址。此处需要注意，发送数据时，无法发送7bit数据，此处发送了7bit地址+1bit读写选择位，即发送7bit+r/w。最低位为1表示读，为0表示写。
• 第八步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为从机器件产生的应答。
• 第九步，读取一个字节(8bit)的数据。
• 第十步，产生一个ACK应答信号，此应答信号为CPU产生。
• 第十一步，读取一个CRC校验码。
• 第十二步，产生一个NACK信号。此无应答信号由CPU产生。
• 第十三步，产生一个停止信号。
  

uint8_t I2C_ReadBytes(void)
{
    uint8_t data;
    uint8_t crc;
 
    I2C_Start();                    //1
    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 0);  //2
    I2C_WaitToAck();                //3
    I2C_SendByte(Reg_Addr);         //4
    I2C_WaitToAck();                //5
    I2C_Start();                   //6
    I2C_SendByte(Slaver_Addr | 1);  //7 1-读
    I2C_WaitToAck();                //8
    data=I2C_ReadByte();            //9
    I2C_Ack();                      //10
    crc=I2C_ReadByte();             //11
    I2C_NoAck();                    //12
    I2C_Stop();                     //13
}

四、总结

• 每次向SDA发送一位数据，都需要在SCL高电平时保持，所以SDA上所传输每一位数据都会占用一个时钟周期。

• 主机接收到从机的应答信号之后，

  1. 如果第8位读写位是0，即主机向从机写数据，接下来继续由主机占用SDA，向从机传输数据，期间主机每传送8位数据，从机就会产生一个应答信号ACK，由主机接收。
  2. 如果第8位读写位是1 ，即从机向主机写数据，接下来继续由从机占用SDA，向主机传输数据，期间从机每传送8位数据，主机就会产生一个应答信号ACK，由从机接收。

• 每传输8位数据，都会产生ACK信号，除了以下三种情况外；

  1. 从机不能响应主机发送的从机地址
     例如从机正忙而无法响应IIC总线的操作，或者这个地址没有对应的从机，那么在第9个SCL周期内SDA线就没有被拉低，即没有ACK信号。
     这时，由主机发送一个停止信号终止传输，或者重新发送一个START信号开始新的传输。
  2. 从机无法接收更多数据
     如果从机无法接收更多的数据，即主机发送的数据超过从机的数据接收能力时，从机不会发出ACK信号，这时，由主机发出一个停止信号终止传输或者重新发送一个START信号开始新的传输。
  3. 主机接收最后一个字节
     主机接收器接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号。于是从机发送器释放SDA线，以允许主机发出停止信号结束传输。