一文带你迅速了解常用串行总线之IIC协议1

jf_78858299 2023-01-21 1769

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描述

01

IIC基础知识

集成电路总线 （Inter-Intergrated Circuit)，通常称作IICBUS，简称为IIC，是一种采用多主从结构的串行通信总线。

IIC由PHILIPS公司于1980年推出，利用该总线可实现多主机系统所需的裁决和高低速设备同步等功能。

IIC串行总线一般有两根信号线，分别是时钟线SCL和数据线SDA，所有IIC总线各设备的串行数据SDA接到总线SDA上，时钟线SLC接到总线SCL上。

双向串行数据SDA：输出电路用于向总线发送数据，输入电路用于接收总线上的数据；

双向时钟数据SCL：输出电路用于向总线发送时钟信号，输入电路用于检测总线时钟电平以决定下次时钟脉冲电平时间。

各设备与总线相连的输出端采用高阻态以避免总线信号的混乱，通常采用漏极开路输出或集电极开路输出。总线空闲时，各设备都是开漏输出，通常可采用上拉电阻使总线保持高电平，而任一设备输出低电平都将拉低相应的总线信号。

SDA

IIC总线上的设备可分为主设备和从设备两种：主设备有权利主动发起/结束一次通信；从设备只能被动响应。

所有连接在IIC总线上的设备都有各自唯一的地址(原地址位宽为7bits，改进后采用10bits位宽)，每个设备都可以作为主设备或从设备，但是同一时刻只能有一个主设备控制。

如果总线上有多个设备同时启用总线，IIC通过检测和仲裁机制解决传输冲突。IIC允许连接的设备传输速率不同，多台设备之间时钟信号的同步过程称为同步化。

02

IIC传输协议

2.1 IIC协议模式

IIC协议为半双工模式，同一条数据线上完成读/写操作，不同操作时的数据帧格式可分为写操作、读操作、读写操作。

2.1.1 写操作数据帧格式

主机向从机写数据的数据帧格式如下：

SDA

白色为主机发送数据，灰色为从机发送数据。

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送地址数据ADDR；
  3. 主机发送写信号0；
  4. 从机响应主机写信号ACK；
  5. 主机发送数据信息DATA；
  6. 从机响应主机发送数据ACK；
  7. 循环5 6步骤可完成主机向从机连续写数据过程；
  8. 主机发送结束信号P.

2.1.2 读操作数据帧格式

主机从从机读数据的数据帧格式如下：

SDA

白色为主机发送数据，灰色为从机发送数据。

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送地址数据ADDR；
  3. 主机发送读信号1；
  4. 从机响应主机读信号ACK；
  5. 从机发送数据信息DATA；
  6. 主机响应从机发送数据ACK；
  7. 循环5 6步骤可完成主机向从机连续读数据过程；
  8. 主机发送结束信号P.

2.1.3 读写同时操作数据帧格式

主机先向从机写数据后从从机读数据的数据帧格式如下：

SDA

白色为主机发送数据，灰色为从机发送数据。

主机可以在完成写操作后不发送结束信号P，直接进行读操作。该过程主机不可变，而从机可以通过发送不同地址选择不同的从机。

2.2 IIC写时序

IIC协议写时序可分为单字节写时序和连续写时序：

2.2.1 单字节写时序

单字节地址写时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送单字节寄存器地址信息WORD ADDRESS；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址ACK；
  6. 主机发送单字节数据信息DATA；
  7. 从机响应主机发送数据信息ACK；
  8. 主机发送结束信号P.

双字节地址写时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送寄存器地址信息高字节ADDRESS HIGH BYTE；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址高字节ACK；
  6. 主机发送寄存器地址信息低字节ADDRESS LOW BYTE；
  7. 从机响应主机发送寄存器地址低字节ACK；
  8. 主机发送单字节数据信息DATA；
  9. 从机响应主机发送数据信息ACK；
  10. 主机发送结束信号P.

2.2.2 连续写时序

单字节地址写时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送单字节寄存器地址信息WORD ADDRESS；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址ACK；
  6. 主机发送单字节数据信息DATA；
  7. 从机响应主机发送数据信息ACK；
  8. 循环6 7步骤可以连续向从机写数据DATA(D+n)；
  9. 主机发送结束信号P.

双字节地址写时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送寄存器地址信息高字节ADDRESS HIGH BYTE；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址高字节ACK；
  6. 主机发送寄存器地址信息低字节ADDRESS LOW BYTE；
  7. 从机响应主机发送寄存器地址低字节ACK；
  8. 主机发送单字节数据信息DATA；
  9. 从机响应主机发送数据信息ACK；
  10. 循环8 9步骤可以连续向从机写数据DATA(D+n)；
  11. 主机发送结束信号P.

2.3 IIC读时序

IIC协议读时序可分为单字节读时序和连续读时序：

2.3.1 单字节读时序

单字节地址读时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送单字节寄存器地址信息WORD ADDRESS；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址ACK；
  6. 主机发送开始信号S；
  7. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为1表示主机从从机读数据；
  8. 从机响应主机控制字节ACK；
  9. 从机发送单字节数据信息DATA；
  10. 主机响应从机发送数据信息NACK(非应答位: 接收器是主机时，在接收到最后一个字节后发送NACK已通知被控发送从机结束数据发送，并释放SDA数据线以便主机发送停止信号P)；
  11. 主机发送结束信号P.

双字节地址读时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送寄存器地址信息高字节ADDRESS HIGH BYTE；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址高字节ACK；
  6. 主机发送寄存器地址信息低字节ADDRESS LOW BYTE；
  7. 从机响应主机发送寄存器地址低字节ACK；
  8. 主机发送开始信号S；
  9. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为1表示主机从从机读数据；
  10. 从机响应主机控制字节ACK；
  11. 从机发送单字节数据信息DATA；
  12. 主机响应从机发送数据信息NACK(非应答位: 接收器是主机时，在接收到最后一个字节后发送NACK已通知被控发送从机结束数据发送，并释放SDA数据线以便主机发送停止信号P)；
  13. 主机发送结束信号P.

2.3.2 连续读时序

单字节地址读时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送单字节寄存器地址信息WORD ADDRESS；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址ACK；
  6. 主机发送开始信号S；
  7. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为1表示主机从从机读数据；
  8. 从机响应主机控制字节ACK；
  9. 从机发送单字节数据信息DATA；
  10. 主机响应从机发送数据信息ACK；
  11. 循环9 10步骤可完成主机向从机连续读数据过程，读取最后一个字节数据时主机应响应NACK(非应答位: 接收器是主机时，在接收到最后一个字节后发送NACK已通知被控发送从机结束数据发送，并释放SDA数据线以便主机发送停止信号P)；
  12. 主机发送结束信号P.

双字节地址读时序过程：

SDA

  1. 主机发送开始信号S；
  2. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为0表示主机向从机写数据；
  3. 从机响应主机控制字节ACK；
  4. 主机发送寄存器地址信息高字节ADDRESS HIGH BYTE；
  5. 从机响应主机发送寄存器地址高字节ACK；
  6. 主机发送寄存器地址信息低字节ADDRESS LOW BYTE；
  7. 从机响应主机发送寄存器地址低字节ACK；
  8. 主机发送开始信号S；
  9. 主机发送控制字节CONTROL BYTE(7bits设备地址dev addr和1bit读写信号)，最低位为1表示主机从从机读数据；
  10. 从机响应主机控制字节ACK；
  11. 从机发送单字节数据信息DATA；
  12. 主机响应从机发送数据信息ACK；
  13. 循环11 12步骤可完成主机向从机连续读数据过程，读取最后一个字节数据时主机应响应NACK(非应答位: 接收器是主机时，在接收到最后一个字节后发送NACK已通知被控发送从机结束数据发送，并释放SDA数据线以便主机发送停止信号P)；
  14. 主机发送结束信号P.

03

IIC代码实现

3.1 IIC目标实现功能

设计一个IIC模块，具体要求如下：

设计一个IIC协议提供给主设备，通过查找表实现对从设备寄存器进行配置。按查找表顺序lut_index依次对设备地址为lut_dev_addr的从设备寄存器进行配置，为lut_reg_addr配置寄存器数据lut_reg_data，同时将传输异常和传输结束信号引出以对传输过程进行监控。模块的定义如下：

module i2c(

input rst, //复位信号

input clk, //时钟信号

input[15:0] clk_div_cnt, //时钟计数器

input i2c_addr_2byte, //双字节地址

output reg[9:0] lut_index, //查找表顺序号

input[7:0] lut_dev_addr, //从设备地址

input[15:0] lut_reg_addr, //寄存器地址

input[7:0] lut_reg_data, //寄存器数据

output reg error, //传输异常信号

output done, //传输结束信号

inout i2c_scl, //IIC时钟信号

inout i2c_sda //IIC数据信号

);

3.2 Verilog代码

1. 顶层模块 (i2c)：

module i2c(

input rst,

input clk,

input[15:0] clk_div_cnt,

input i2c_addr_2byte,

output reg[9:0] lut_index,

input[7:0] lut_dev_addr,

input[15:0] lut_reg_addr,

input[7:0] lut_reg_data,

output reg error,

output done,

inout i2c_scl,

inout i2c_sda

);

wire scl_pad_i;

wire scl_pad_o;

wire scl_padoen_o;

wire sda_pad_i;

wire sda_pad_o;

wire sda_padoen_o;

assign sda_pad_i = i2c_sda;

assign i2c_sda = ~sda_padoen_o ? sda_pad_o : 1'bz;

assign scl_pad_i = i2c_scl;

assign i2c_scl = ~scl_padoen_o ? scl_pad_o : 1'bz;

reg i2c_read_req;

wire i2c_read_req_ack;

reg i2c_write_req;

wire i2c_write_req_ack;

wire[7:0] i2c_slave_dev_addr;

wire[15:0] i2c_slave_reg_addr;

wire[7:0] i2c_write_data;

wire[7:0] i2c_read_data;

wire err;

reg[2:0] state;

localparam S_IDLE = 0;

localparam S_WR_I2C_CHECK = 1;

localparam S_WR_I2C = 2;

localparam S_WR_I2C_DONE = 3;

assign done = (state == S_WR_I2C_DONE);

assign i2c_slave_dev_addr = lut_dev_addr;

assign i2c_slave_reg_addr = lut_reg_addr;

assign i2c_write_data = lut_reg_data;

//cascatrix carson

always@(posedge clk or posedge rst)

begin

if(rst)

begin

state <= S_IDLE;

error <= 1'b0;

lut_index <= 8'd0;

end

else

case(state)

S_IDLE:

begin

    state <= S_WR_I2C_CHECK;

    error <= 1'b0;

    lut_index <= 8'd0;

end

S_WR_I2C_CHECK:

begin

    if(i2c_slave_dev_addr != 8'hff)

    begin

        i2c_write_req <= 1'b1;

        state <= S_WR_I2C;

    end

    else

    begin

        state <= S_WR_I2C_DONE;

    end

end

S_WR_I2C:

begin

    if(i2c_write_req_ack)

    begin

        error <= err ? 1'b1 : error; 

        lut_index <= lut_index + 8'd1;

        i2c_write_req <= 1'b0;

        state <= S_WR_I2C_CHECK;

    end

end

S_WR_I2C_DONE:

begin

    state <= S_WR_I2C_DONE;

end

default:

    state <= S_IDLE;

endcase

end

i2c_ctrl i2c_ctrl

(

.rst(rst),

.clk(clk),

.clk_div_cnt(clk_div_cnt),

// I2C signals

// i2c clock line

.scl_pad_i(scl_pad_i), // SCL-line input

.scl_pad_o(scl_pad_o), // SCL-line output (always 1'b0)

.scl_padoen_o(scl_padoen_o), // SCL-line output enable (active low)

// i2c data line

.sda_pad_i(sda_pad_i), // SDA-line input

.sda_pad_o(sda_pad_o), // SDA-line output (always 1'b0)

.sda_padoen_o(sda_padoen_o), // SDA-line output enable (active low)

.i2c_read_req(i2c_read_req),

.i2c_addr_2byte(i2c_addr_2byte),

.i2c_read_req_ack(i2c_read_req_ack),

.i2c_write_req(i2c_write_req),

.i2c_write_req_ack(i2c_write_req_ack),

.i2c_slave_dev_addr(i2c_slave_dev_addr),

.i2c_slave_reg_addr(i2c_slave_reg_addr),

.i2c_write_data(i2c_write_data),

.i2c_read_data(i2c_read_data),

.error(err)

);

endmodule

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