IIC协议笔记

        网络上有很多IIC协议的Verilog代码，就不在本文中过多赘述。

        I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit，集成电路总线)是由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线，只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。 I2C 通讯协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行 AD，图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的 X 射线管配置等等。除此之外，由于 I2C 协议占用引脚特别少，硬件实现简单，可扩展型强，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

       I2C的物理层有如下特点：

(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个 I2C 通讯总线中，可连接多个 I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机，理论上一个主机最多可以接127个从机。

(2) 一个 I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步，只能实现半双工通信。

(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。

(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。

(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为 100kbit/s ，快速模式为 400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多 I2C 设备尚不支持高速模式。

(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

I2C协议时序图（总线）

I2C 协议整体时序图分为 4 个部分，图中标注的①②③④表示 I2C 协议的4个状态，分别为“总线空闲状态”、“起始信号”、“数据读/写状态”和“停止信号”。

(1) 图中标注①表示“总线空闲状态”，在此状态下串口时钟信号 SCL 和串行数据信号 SDA 均保持高电平，此时无 I2C 设备工作。

(2) 图中标注②表示“起始信号”，在 I2C 总线处于“空闲状态”时，SCL 保持高电平时， SDA 出现由高电平转为低电平的下降沿，产生一个起始信号，此时与总线相连的所有 I2C 设备在检测到起始信号后，均跳出空闲状态，等待控制字节的输入。

(3) 图中标注③表示“数据读/写状态”。I2C 通讯设备的通讯模式是主从通讯模式，通讯双方有主从之分。当主机向从机进行指令或数据的写入时，串行数据线 SDA 上的电平在串行时钟 SCL 为高电平时保持稳定（方便从机进行采样），每次只写入一位数据；串行数据线 SDA 中的数据在串行时钟 SCL 为低电平时进行数据更新，以保证在 SCL 为高电平时采集到 SDA 数据的稳定状态。当一个完整字节的指令或数据传输完成，从机设备正确接收到指令或数据后，会通过拉低 SDA 为低电平，向主机设备发送单比特的应答信号，表示数据或指令写入成功。若从机正确应答，可以结束或开始下一字节数据或指令的传输，否则表明数据或指令写入失败，主机就可以决定是否放弃写入或者重新发起写入。

(4) 图中标注④表示“停止信号”，完成数据读写后，串口时钟 SCL 保持高电平，当串口数据信号 SDA 产生一个由低电平转为高电平的上升沿时，产生一个停止信号，I2C 总线跳转回“总线空闲状态”。

Device Addressing

I2C 协议中通过设备地址来寻址以及控制读写，控制字节是主机发送起始信号后被收到的第一个字节。控制字节由一个4 bit 控制位和3 bit的Block Select位以及1 bit 读写控制位组成，其中4 bit 控制位和和3 bit的Block Select位组成从机地址。Read/Write Bit位为 1 时表示Read，Read/Write Bit位为 0 时表示Write。从机成功接收该控制字节后会发送ACK信号至主机。

Write Operation

• Byte Write

(1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后；

(2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始写入存储地址。若为 2 字节地址，先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后。若为单字节地址，按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

(3) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，开始单字节数据的写入；

(4) 单字节数据写入完成，主机接收到应答信号后，向从机发送停止信号，单字节写操作完成。

• Page Write

(1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后；

(2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始写入存储地址。若为 2 字节地址，先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后。若为单字节地址，按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

(3) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，开始单字节数据的写入；数据写入完成，主机接收到应答信号后，开始下一个单字节数据的写入；数据写入完成，主机接收到应答信号。

(4)若所有数据均写入完成，主机向从机发送停止信号，页写操作完成。

Read Operation

• Random Read

(1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后(Dummy Write)；

(2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始写入存储地址。若为 2 字节地址，先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后。若为单字节地址，按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

(3) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，主机再次向从机发送一个起始信号；

(4) 主机向从机发送控制命令，读写控制位设置为高电平，表示对从机进行数据读操作；

(5) 主机接收到从机回传的应答信号后，开始接收从机传回的第一个单字节数据；数据接收完成后，主机产生一个时钟的高电平无应答信号；

(6) 主机向从机发送停止信号，顺序读操作完成。

• Sequential Read

(1) 主机产生并发送起始信号到从机，将控制命令写入从机，读写控制位设置为低电平，表示对从机进行数据写操作，控制命令的写入高位在前低位在后(Dummy Write)；

(2) 从机接收到控制指令后，回传应答信号，主机接收到应答信号后开始写入存储地址。若为 2 字节地址，先向从机写入高 8 位地址，且高位在前低位在后；接收到从机回传的应答信号，再写入低 8 位地址，且高位在前低位在后。若为单字节地址，按高位在前低位在后的顺序写入单字节存储地址；

(3) 地址写入完成，主机接收到从机回传的应答信号后，主机再次向从机发送一个起始信号；

(4) 主机向从机发送控制命令，读写控制位设置为高电平，表示对从机进行数据读操作；

(5) 主机接收到从机回传的应答信号后，开始接收从机传回的第一个单字节数据；数据接收完成后，主机产生应答信号回传给从机，从机接收到应答信号开始下一字节数据的传输，若数据接收完成，主机产生一个时钟的高电平无应答信号；若数据接收未完成，则重复此操作；

(6) 主机向从机发送停止信号，顺序读操作完成。

总线

assign i2c_sda = sda_out_en?sda_out:1'bz;

assign sda_in  = i2c_sda;

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