再议IIC协议与设计【1】--通信是如何定义

概述

在讨论IIC的时候，无需一头扎进IIC协议中去分析文档，根据以下的步骤来分析，就能很明确地知道IIC的协议，以及如何设计IIC主机或者从机。

初识IIC

在实际的电路设计中，两个芯片（IC）需要互相通信，发生数据的交换。那么这两个芯片之间必须满足一些规则，这样，负责“听”的芯片就能“听懂”“说”的那个芯片“说了些什么”。与人类交流原理相通，“听者”首先需要知道“说者”是对哪个“听者”发出命令，并且需要需要“说者”以“听者”能听的懂的语言来沟通交流（通信方式）。同时，“说者”说话的频率不能太快，以保证“听者”能清楚地知道所要表达的意思（通信频率）。这些合在一起就构成了IIC的通讯协议。

图1

那么IIC到底是什么呢？定义如下：IIC即Inter-Integrated Circuit，是由飞利浦半导体在上世纪八十年代设计出来的一种串行总线，主要是用来连接整体电路。在IIC刚设计出来的时候，因为其简单，双向通信，二线制，同步设计等优点，迅速地成为芯片间互联的一个优势选择。在整个电路板上，可以使用一个IIC主控制器，其他的所有芯片，都挂在同一个IIC总线结构下。这样就可以完成整个系统中所有的芯片的数据传输。最大的优点是简化了信号传输的总线接口（2-wire）。同时，IIC的通信速度有两种，一种为普通模式下的100KHz，另一种为高速模式下的400KHz.

图2

在上图2中，区分了IIC设备的主设备（Master）和从设备（Slave），无论Master还是Slave都具有一个地址Address，这个地址即为设备的“标识符”。通过访问设备的“标识符”就能与设备进行通讯。在具体的设计中，需要明确哪个是主设备（Master），即信号的发起者，哪个是从设备（Slave），即信号的接收者。所描述的“信号的发起者”或者“信号的接收者”，可以看成是那个器件在发出SCL信号。对于SDA来说，它是一个双向的单bit信号，这就是IIC为什么是双向通信的原因了。

Master与Slave进行通信，既要向Slave中“写入”数据，也要从Slave中“读取”数据。而无论读入或者写出的数据，都是一位一位地从SDA线上传输的。

通信过程

由上面的介绍可以知道，对于设备来说，它有一个“标识符”，即设备地址，一般的设备地址是7bit的，留出来一个bit来做“读”或者“写”的标志。从设备接收到主机所发送的设备地址和读写标志后，首先判断设备地址是否为自己的地址，如果地址匹配成功，其次才开始响应读写标志位。当从设备响应完成后，设备进入Ready状态，准备接收主设备发送的后续数据。当主机发送完一个字节（8bit）的数据后，从机一般会返回一个响应（ACK）标志，用来通知主机，接收成功。

详细介绍

上面对通信过程进行介绍的时候，有几个问题没有解决：

• 数据通信何时开始 / 何时结束
• ACK信号怎样表示 / NACK信号怎样表示
• ACK / NACK信号什么时候存在

带着以上的问题再重新回看IIC通信。SDA和SCL总线，在空闲不进行通信的时候，是处于高电平状态，即SDA 和SCL都为逻辑1。我们都知道，数据在传输的过程中，都是由时钟的边沿将数据送入到器件中。即芯片在时钟边沿对数据进行采样的时候，必须要保证数据线稳定不变。在这里需要保证在SCL为高电平的时候，保持SDA稳定不变，这样才能将数据稳定地送入到芯片中。所以我们可以将IIC总结如下：

• SCL为高，SDA发生变化，即为发生了特殊状态（ACK, NACK, START, STOP）
• SCL为地，SDA发生变化，即为数据端发生跳变，这个是无影响的。
• IIC总线在数据传输时，时钟信号为高电平，数据线上的数据必须保持稳定，只有在SCL上的信号为低电平时，SDA线才允许变化

也只有这样，才能在2-wire上完成这么多的状态对通信进行控制。

接下来，就详细地描述这些状态标志，这是IIC通信协议的核心。

START和STOP信号

SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化表示为起始信号；

SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化表示为终止信号。

图 3

起始信号和终止信号都是由主机发出的，在此时，从机仅处于空闲状态。当起始信号产生后，总线就处被占用的状态；在终止信号产生后，总线又回到了空闲状态（SCL = 1 SDA = 1）.

接收器件分为两种，一种是内部集成了IIC控制器，另外一种是使用GPIO来模拟IIC控制器。无论哪种，主机在发送START后，会紧接着发送一个完整的数据字节，从机接收这个数据字节，但有可能从机在接收完成后，无法立即响应以接收下一个字节（从机可能在处理中断等），这时候从机会将SCL线拉底到低电平，从而使主机处于等待状态，直到从机准备好接收下一个字节，才释放SCL使其回到高电平。

ACK和NACK信号

每一个完整的传输都必须保证是一个字节的传输（8bit），在传输过程中是由MSB到LSB进行传输的，每一个字节传输完成后都必须跟随一位应答信号，即每一个完成的传输是9bit。

图 4

需要注意的是，并非每一次字节传输完成后都会有ACK信号，有以下三种情况例外：

• 当从机无法响应主机发送给从机的地址时（例如从机正忙，这个地址错误等）在第9个SCL周期内SDA没有被拉低，即没有ACK信号，这是主机会发送一个STOP标志来终止信号的传输或者重新发出一个RESTART信号请求新的传输。
• 如果从机接收器在传输过程中不能接收更多的数据时，它也不会发出ACK标志，这样主机在接收不到ACK标志的时候就会发出一个STOP信号来终止传输或者重新发出一个RESTART信号来请求新的传输。
• 主机接收器在接收到最后一个字节后，也不会发出ACK信号，于是从机释放SDA线，以允许主机发送STOP信号来结束传输。

以上可以总结为：对主机来说，它会不断地检测在SCL处于第9周期时SDA是否为低，只要发现为低，那么主机在接下来就会发出STOP信号。

总线数据传输过程

常见的几种数据传输

• 主机向从机发送数据，数据传输方向在整个传输过程中不变化

图 5

• 主机在发送完从机地址后，立即从从机读取数据

图 6

• 在传输过程中，当需要改变数据传输方向时，起始信号和从机地址都要重新发送一次

图 7

至此，IIC最基本的协议就先介绍到这里。