【数字IC】深入浅出理解I2C协议

深入浅出理解I2C协议

• • 一、什么是I2C协议
  • 二、I2C,SPI,UART协议的区别
  • 三、I2C的信号线
  • 四、I2C的连接方式
  • • 4.1 单主设备，单从设备
    • 4.2 单主设备，多从设备
    • 4.3 多主设备，多从设备
  • 五、I2C的数据传输格式
  • • 5.1 空闲位
    • 5.2 起始位
    • 5.3 地址位与读写控制
    • 5.4 应答位（ACK/NACK）
    • • 5.4.1 正确接收数据（ACK）
      • 5.4.2 未正确接收数据（NACK）
    • 5.5 数据位
    • 5.6 停止位
    • 5.7 总结
  • 六、I2C可配置变量
  • • 6.1 传输模式
    • 6.2 地址位宽
    • 6.3 设备地址
  • 七、I2C的仲裁机制
  • • 7.1 SCL同步问题
    • 7.2 SDA仲裁问题
  • 八、写在最后
  • 九、其他数字IC基础协议解读
  • • 9.1 UART协议
    • 9.2 SPI协议

一、什么是I2C协议

I2C是由Philips开发的简单的双向两线总线，在深入浅出理解SPI协议中，我们区分了单工，半双工，全双工协议数据流向的区别，根据特征，I2C协议属于半双工协议（即同一时刻，数据单向流动）。此外，I2C也是一种可以多主设备，多从设备的总线协议，通过地址索引,I2C可以使能所需从设备，I2C的出现主要是用来实现不同集成电路组件之间的控制功能，比如通过I2C协议，连接MCU与LCD驱动器，远程I/O口，RAM，EEPROM或数据转换器。

二、I2C,SPI,UART协议的区别

作者按照顺序，依次完成了UART，SPI，I2C协议，因为这三种协议都属于低速通用协议接口，因此作者将这三种协议放在一块进行比较，诚然，这些协议经过数十年的发展，衍生出了很多新版本，拥有了很多新特性，但他们的基本通信方式没变，因此我们仅比较他们的基本版本，得到如下表格，当然特性太多，也未必绝对准确，仅供初学者参考。

重点解释一下UART，SPI，I2C这三个协议的选通方式，作者觉得很有意思。
对于UART来说，正常来说是没有办法满足一个主设备，多个从设备的通信，它的通信方式最为简单，最低只需要一根线即可完成通信，协议本身并不允许外接多个从设备，但是我们也可以通过比如485转接、增加二极管的方式来进行多从设备选择（电路层面的设计内容，不是数字IC需要考虑的内容）。
其次是SPI协议，它有一个专门的NSS端口，默认拉低来选择所需的从设备。
最后是I2C协议，每个主设备和每个从设备都对应一个地址，通信的时候先发送地址信号，若一致，则被选中。

三、I2C的信号线

I2C仅需要两根信号线即可完成通信，如下图所示。除此以外，I2C的信号线需要连接上拉电路，有关上拉电阻的大小，是电路设计工程师需要操心的事，不归Digital IC Design Engineer管，就不在这里赘述了。

SDA（Serial Data） ：串行数据线，用来传输数据信号。
SCL（Serial Clock）：串行时钟线，用来传输时钟信号，一般是主设备向从设备提供。

四、I2C的连接方式

I2C的连接的连接形式非常灵活，可以是单主设备，单从设备，也可以是单主设备，多从设备，还可以是多主设备，多从设备。

4.1 单主设备，单从设备

4.2 单主设备，多从设备

4.3 多主设备，多从设备

五、I2C的数据传输格式

5.1 空闲位

空闲时SDA与SCL默认都是高电平，对应于主设备状态机IDLE（默认态）时的输出为高

5.2 起始位

SCL为高电平的时候 ，主设备控制SDA从1到0，为起始位，进入起始位后，SCL按照始终的要求进行翻转
从设备接收到起始位信息，状态机发生跳变，等待地址信号的输入

从设备在这里需要使用到下降沿检测电路，作为状态机跳变的控制信号，详情可参考作者之前的文章。【数字IC手撕代码】Verilog边沿检测电路

5.3 地址位与读写控制

主设备按照从高到低的顺序，依次发送地址位，从设备进行接收，通常情况下，地址位为7bit，读写选择为1bit。每个从设备有且只有一个唯一的地址编号，依靠着这个编号，确定主设备具体与哪一个从设备进行通信。

同时，为了确保采样时信号稳定，对于主设备，我们在下降沿的时候将信号放在SDA上，对于从设备，我们在上升沿的时候进行采样。
对于读写控制位来说如果主设备需要将数据发送到从设备，则该位设置为 0；如果主设备需要往从设备接收数据，则将其设置为 1 。即写为0，读为1。

5.4 应答位（ACK/NACK）

发送了标题为5.3的8bit后，主机释放对SDA的控制权，由于上拉电阻的作用这个时候SDA默认为高电平，从机接管SDA的控制权，假如从机正确的接收了数据，会将SDA拉低，假如没有正确的接收数据，在从设备的控制下，SDA依旧为高电平。

读者在这里会发现，同一个SDA，怎么主设备也能控制，从设备也能控制呢？这里涉及到了inout双向端口的相关问题，可以参考作者的这篇文章进行解读和理解通俗易懂的带你解读inout双向端口

5.4.1 正确接收数据（ACK）

正确接收，SDA由从设备拉低

5.4.2 未正确接收数据（NACK）

未正确接收，SDA依旧为高电平

5.5 数据位

当我们成功收到ACK信号后，就可以正式传输数据位了，每一次默认传输一个字节（即8bit），每个字节的传输都需要跟一个应答位（ACK/NACK）

5.6 停止位

SCL先拉高，在SCL为高电平的时候，SDA从低到高，即为停止位，此后，I2C协议重新进入到空闲状态。这里使用了上升沿检测电路，原理同起始位的下降沿检测电路

5.7 总结

首先为起始位S(start)，接着传输地址7位SLAVE ADDRESS和1位读写控制信号R/W,再往后8位8位的传输数据位，每个字节紧跟ACK信号，最后为停止位
所有的阴影部分，都是主设备在操作总线，而A对应的ACK，则为从设备在操作总线。

六、I2C可配置变量

6.1 传输模式

• 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）

提起不同速度的传输模式，读者首先想到的可能是指SCK的频率，这没有错，但是绝不仅限于此，为了获得更高的传输速率，除开芯片设计工程师外，电路的设计人员需要认真思考诸如“负载电容，上拉电阻的大小”等更偏向于电路设计或模拟设计的内容。

6.2 地址位宽

• 标准I2C：七位寻址
• 扩展I2C：十位寻址

每个主设备或者从设备都能对应一个唯一的地址，大多数情况下，7位的地址，已经够用了。但是也可以对其进行扩展，转变为10位地址，多出来的3位地址相当于提供了8倍潜在设备数量，同时，按照NXP2021版的I2C协议规定，10位地址的从设备，和7位地址的从设备，都可以挂在一个总线上，彼此相互兼容，不过，客观来讲，10位寻址的I2C不常用，7位寻址的I2C协议就足够大家日常使用了。

6.3 设备地址

每个主设备与从设备需要设置互不相同的七位地址或十位地址。
等等等等

七、I2C的仲裁机制

7.1 SCL同步问题

总线天生带线与逻辑，即总线的几个输入端，任意有一个拉低，总线表现为低电平，全部位高电平时，总线才是高电平，真值表如下所示。

假设有两个主设备都想拉低SCL信号，Master1先拉低 ，Master2后拉低，那么SCL会按照CLK1的时间来拉低自身（线与逻辑的应用），而假如Master1先拉高，Master2后拉高，SCL又会按照CLK2的时间来拉高自身。

因此：当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是SCL的同步原理

7.2 SDA仲裁问题

设想一种多主设备，多从设备的情况
假如在空闲状态时，两个主设备先后想要操控I2C总线（相隔时间很短），I2C岂不是会发生错误（数据紊乱等），如何解决这个问题呢？
我们可以采取仲裁机制，同样应用到总线的线与逻辑，在箭头所指的位置，SCL上升沿到来，对SDA上的数据进行采样，结果为0，与DATA2上的数据0相同，与DATA1上的数据1不同，通过这种比较 Master1退出了对总线的控制，而Master2所发送的数据都是正确的，完成仲裁。

八、写在最后

接下来的文章，我们将从零开始使用Verilog与I2C设计一个控制器出来，并进行不那么充分的验证工作，其中具体满足的参数如下

• 单主设备，单从设备（不涉及仲裁与同步）
• 全局时钟100Mhz
• 标准模式（100kbps）传输速率
• 标准I2C的七位寻址
• 从设备为EEPROM

九、其他数字IC基础协议解读

9.1 UART协议

• 【数字IC】深入浅出理解UART
• 【数字IC】从零开始的Verilog UART设计

9.2 SPI协议

• 【数字IC】深入浅出理解SPI协议
• 【数字IC】从零开始的Verilog SPI设计