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文档类别 |
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文档标识 |
IIC总线协议基础1 |
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当前版本号 |
V0.2 |
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作 者 |
Louis |
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完毕时间 |
2015-05-27 |
IIC总线协议基础1
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，能够和其它的开漏极或开集电极进行“线与”。【不同手冊上看到有“线或”的说法，应该不正确】
SCL：时钟输入引脚。【有些资料说是在SCL的上升沿才干将数据写入AT24C02中。在SCL的下降沿才干从 AT24C02 中读出数据，这是不对的。实际測试：在SCL的下降沿后再从SDA总线上去读取数据。数据有误。】
1.2 開始和结束条件
開始时序：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。而且在SCL高电平时保持不变，否则会被误觉得是命令（開始/结束）条件。
1.4 应答ACK和非应答NACK
SCL一直由Master控制，SDA按照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA。写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完成之后，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设备假设还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备假设没有空间接受很多其它的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到不论什么数据将视为超时，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。假设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。假设Master不希望读取很多其它字节，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，比方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，由于IIC外部上拉）。设备在接收完成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。
当发送器检測到SDA被拉低。就知道设备接收器接收完成数据了。
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。
假设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端假设正确接受到数据，就会自己主动将SDA置0。程序能做的仅仅是检測确认信号，即每发送完8位数据后就检測一次SDA的状态，假设是0，则让程序继续往下运行。假设是1则强迫MASTER将刚才的8位数据再发送一遍；当然。假设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重复发送，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差别，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，由于数据读到哪里结束，仅仅有程序猿知道。
IIC传输数据方式
NOTE：IIC是MSB FIRST传送的
1.5 反复開始【Repeat start】
即在发送完一个字节后（開始+8数据+ACK），没有发送STOP的情况下。继续下一次START（就是指repeatstart）。这个须要注意的是在第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之间须要有个延时Twr。保证设备写好数据。
一般手冊给出一个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时间相差非常大，一般以參考手冊为准。
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上的数据仅仅有在SCL是low的时候才干够变化。假设SDA上的数据在SCL的high期间内变化，那么将会被觉得是開始/结束条件。
2.1.2開始条件
在SCL的high期间。SDA从high-到-low变化。就会触发一个開始条件。
这个条件必须在其它不论什么指令開始之前发出的。
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）
全部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一个字节了。
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，例如以下形式将进入待机模式：
（1） 上电后；
（2） 接收到STOP。或者完毕了内部全部操作后；
2.1.6 软件复位IIC
在协议中断，掉电或者系统复位后，能够通过例如以下步骤进行复位：
（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设备须要在一个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，须要和硬件地址相等。
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。
当设备地址对照之后，EEPROM将会反馈输出一个0.假如比較结果不正确。那么芯片（EEPROM）将进入待机状态。
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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
写操作须要发送设备地址，并尾随一个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，全部输入无效，而且EEPROM不会有不论什么响应，直到内部写完成。
2.3.2写PAGE页
这个2K的EEPROM可以进行8-byte页写入。
Page写入和byte写入的初始化是一样的。仅仅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将在接收到每一个数据字节后，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在接收到每一个数据后，都会自己主动添加。
数据地址的高5位bit数据不添加，保持在当前页【row location】。
假设写入数据的地址，自己主动添加达到了PAGE边缘，那么接下去的字节将会从本页从头開始覆盖存储(“roll over”)。就是所假设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。就须要STOP，然后又一次開始。并写入下一页的地址，在開始写入数据。
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。此时假设发送一个START条件，和设备地址给EEPROM，仅仅有当内部写周期完毕后，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
仅仅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：当控制器想结束訪问数据后。就将SDA拉高。结束读取数据。但记得在NACK后要尾随一个STOP】。
2.4.2随机地址读
随机读取数据，须要一个“dummy”操作，即：发送设备地址+写操作（得到EEPROM应答ACK），并尾随发送须要訪问数据的地址。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訪问数据的地址。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。
能够看出“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，能够通过“当前地址读取”或者“随机地址读取”操作来启动。仅仅是在控制器接收到以第一字节后，控制器须要产生一个应答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”，同一时候会继续读取数据。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能够结束此次读操作，可是会对后面的操作带来影响。非应答信号在须要的时候必须给。
3．參考文献
[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