何謂 I2C？

在本文中，您將了解有關(guān)內(nèi)部集成電路總線（I2C 或 IIC）的基礎(chǔ)知識(shí)以及將此協(xié)議總線應(yīng)用于短距離通信的方法。 I2C 屬于串行通信協(xié)議，供雙線接口用于連接 EEPROM、傳感器、RTC、ADC/DAC 等低速器件以及嵌入式系統(tǒng)中的其它兼容 I/O 接口。

I2C 簡(jiǎn)介

I2C 包含 2 條線路：1 條為 SCL（串行時(shí)鐘），另 1 條為 SDA（串行數(shù)據(jù)）。這 2 條線路都必須通過電阻上拉到 Vcc。借助使用 I2C 多路復(fù)用器可訪問各條通道以連接外設(shè)，還可通過電平移位器來轉(zhuǎn)換這 2 條 I2C 線路/信號(hào)上的電壓電平。

注：SCL 為時(shí)鐘信號(hào)，SDA 為數(shù)據(jù)信號(hào)。

I2C 的數(shù)據(jù)傳輸格式如下所述。

單次數(shù)據(jù)傳輸包含 9 個(gè)時(shí)鐘脈沖，用于驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù)據(jù)和 1 位 ACK/NACK。

數(shù)據(jù)傳輸幀包含 1 個(gè) START 和 1 個(gè) STOP 條件。

地址類型傳輸?shù)膯?dòng)順序?yàn)椋? 個(gè) START 條件，后接 1 個(gè) 7 位/10 位地址、1 個(gè) 1 位 R/~W 和 1 個(gè) 1 位 ACK/NACK。隨后，數(shù)據(jù)類型傳輸包含 8 位數(shù)據(jù)和 1 位 ACK/NACK。

I2C 總線條件

啟動(dòng) (Start) 條件 - 在 SDA 上執(zhí)行從高到低轉(zhuǎn)換時(shí)，SCL 線路應(yīng)處于高位。

停止 (Stop) 條件 - 在 SDA 上執(zhí)行從低到高轉(zhuǎn)換時(shí)，SCL 線路應(yīng)處于高位。

數(shù)據(jù)有效性 - 當(dāng) SCL 處于高位狀態(tài)時(shí)，SDA 線路上的數(shù)據(jù)有效。

數(shù)據(jù)變更 - 當(dāng) SCL 處于低位狀態(tài)時(shí)，在 SDA 線路上發(fā)生數(shù)據(jù)變更。

總線繁忙 - 處于 START 與 STOP 條件之間時(shí)，總線處于繁忙狀態(tài)。

ACK - 在 SCL 的第 9 次時(shí)鐘脈沖時(shí)，SDA 應(yīng)處于低位

NACK - 在 SCL 處于第 9 次時(shí)鐘脈沖時(shí)，SDA 應(yīng)處于高位

1 主器件寫 (Master Write) 傳輸 Master Write 操作從 START 條件開始，后接 7 位/10 位從器件地址和 1 位寫操作（等于 0）。成功的從器件尋址應(yīng)由從器件應(yīng)答 (ACK)。之后，主器件啟動(dòng)到從器件的數(shù)據(jù)寫入，從器件將在響應(yīng)中提供 N-1 字節(jié)的 ACK。當(dāng) N-1 字節(jié)完成傳輸后，主器件會(huì)在第 N 字節(jié)傳輸上發(fā)送 Not Acknowledged (NACK) 以生成 STOP 條件。 主器件執(zhí)行的從器件尋址操作失敗將導(dǎo)致總線上出現(xiàn) NACK，故而將不啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，并生成 STOP 條件。

2 主器件讀 (Master Read) 傳輸 Master Read 操作從 START 條件開始，后接 7 位/10 位從器件地址和 1 位讀操作（等于 1）。成功的從器件尋址應(yīng)由從器件應(yīng)答 (ACK)。后續(xù)，從器件會(huì)向主器件發(fā)送數(shù)據(jù)，主器件將在響應(yīng)中提供 N-1 字節(jié)的 ACK。當(dāng)主器件收到 N-1 字節(jié)后，它會(huì)在第 N 字節(jié)傳輸上發(fā)送 NACK 以生成 STOP 條件。 主器件執(zhí)行的從器件尋址操作失敗將導(dǎo)致總線上出現(xiàn) NACK，故而將不啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取，并生成 STOP 條件。

3 時(shí)鐘拉伸 (Clock Stretching)

SCL 由處于活動(dòng)狀態(tài)的總線主器件生成。從器件有時(shí)可強(qiáng)制時(shí)鐘處于低位以延遲主器件發(fā)送更多數(shù)據(jù)（或者在主器件嘗試切斷從器件時(shí)鐘前，從器件需要更多時(shí)間來準(zhǔn)備數(shù)據(jù)）。這稱為時(shí)鐘拉伸或時(shí)鐘降頻。欲知詳情，請(qǐng)參閱https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c/all 的協(xié)議頁面

4 動(dòng)態(tài)編程序列 使用如下示例中所示偽操作步驟并將其與您所看到的行為進(jìn)行比較可便于您理解賽靈思 AXI IIC 仿真中的協(xié)議行為。 請(qǐng)保留以下步驟的副本，以便您后續(xù)在自己的設(shè)計(jì)中對(duì)其進(jìn)行編輯，如省略或追加步驟。 或者，只需填入適用于的測(cè)試案例的任意內(nèi)容即可。

5 初始化

1. 將 RX_FIFO 深度設(shè)置為最大值：設(shè)置 RX_FIFO_PIRQ = 0x _ _
2. 將 TX_FIFO 復(fù)位為 0x_ _
3. 啟用 AXI IIC、移除 TX_FIFO 復(fù)位，并禁用通用調(diào)用

6 從 IIC 器件地址0x_ _讀字節(jié)數(shù)據(jù) 1. 讀取狀態(tài) (Status) 寄存器以檢查確認(rèn)所有 FIFO 均為空，并且總線未處于繁忙狀態(tài)
2. 將 0x___ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址設(shè)置為 0x__，讀權(quán)限）
3. 將 0x___ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置停止位，4 字節(jié)，將由 AXI IIC 接收）
4. 等待至 RX_FIFO 不為空為止。 a) 讀取 RX_FIFO 字節(jié)。 b) 如果讀取的是最后一個(gè)字節(jié)，則退出；否則，只要 RX_FIFO 不為空，則繼續(xù)檢查。

7 對(duì)IIC 從器件地址0x_ _寫byte數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)置于從器件地址 0x__： 1. 讀取 SR 以檢查確認(rèn)所有 FIFO 均為空，并且總線未處于繁忙狀態(tài)
2. 將 0x___ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址，寫權(quán)限）
3. 將 0x__ 寫入 TX_FIFO（數(shù)據(jù)的從地址）
4. 將 0x__ 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 1）
5. 將 0x__ 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 2）
6. 將 0x__ 寫入 TX_FIFO（停止位，字節(jié) x）

8 從 IIC 器件地址0x_ _讀字節(jié)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)位于從地址 0x _ _。 首先，需要寫權(quán)限才能設(shè)置從器件地址，然后讀權(quán)限之后執(zhí)行重復(fù)啟動(dòng)。 1. 讀取狀態(tài) (Status) 寄存器以檢查確認(rèn)所有 FIFO 均為空，并且總線未處于繁忙狀態(tài)。
2. 將 0x_ _ _ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址設(shè)置為 0x__，寫權(quán)限）。
3. 將 0x__ 寫入 TX_FIFO（數(shù)據(jù)的從地址）。
4. 將 0x___ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置重復(fù)啟動(dòng)的啟動(dòng)位，器件地址設(shè)置為 0x_ _，讀權(quán)限）。
5. 將 0x___ 寫入 TX_FIFO（設(shè)置停止位，4 字節(jié)，將由 AXI IIC 接收）。
6. 等待至 RX_FIFO 不為空為止。 a) 讀取 RX_FIFO 字節(jié)。 b) 如果讀取的是最后一個(gè)字節(jié)，則退出；否則，只要 RX_FIFO 不為空，則繼續(xù)檢查。

AXI IIC 仿真

本文隨附了一個(gè)在 Vivado 2018.1 工程中經(jīng)過修改的仿真測(cè)試平臺(tái)。 請(qǐng)將所提供的測(cè)試平臺(tái)與 AXI IIC IP 配合使用。它已經(jīng)過測(cè)試，可在 Vivado 環(huán)境中正常運(yùn)行。 以下是根據(jù) AXI IIC 產(chǎn)品指南(PG090)所提供的部分編程序列建議的示例。 以下提供了有關(guān)示例案例的說明：測(cè)試 1 - 建議的序列將數(shù)據(jù)置于從器件地址 0x6C（含 1 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）。 1. 讀取 SR 以檢查確認(rèn)所有 FIFO 均為空，并且總線未處于繁忙狀態(tài)。 2. 將 0x1D8 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址，寫權(quán)限）。
3. 將 0x212 寫入 TX_FIFO（停止位，最后一個(gè)字節(jié)）

測(cè)試 2 - 建議的序列將數(shù)據(jù)置于從器件地址 0x6C（含 2 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）。 1. 讀取 SR 以檢查確認(rèn)所有 FIFO 均為空，并且總線未處于繁忙狀態(tài)。
2. 將 0x1D8 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址，寫權(quán)限）。
3. 將 0x011 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 1）。
4. 將 0x012 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 2）。
5. 將 0x2EF 寫入 TX_FIFO（停止位，最后一個(gè)字節(jié)）

測(cè)試 3 - 建議的序列將數(shù)據(jù)置于從器件地址 0x6C（含 2 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)）。使用錯(cuò)誤的從器件地址重新啟動(dòng)。 1. 讀取 SR 檢查總線未處于繁忙狀態(tài)并且確認(rèn)所有 FIFO 均為空。
2. 將 0x1D8 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址，寫權(quán)限）。
3. 將 0x011 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 1）。
4. 將 0x012 寫入 TX_FIFO（字節(jié) 2）。
5. 將 0x2EF 寫入 TX_FIFO（停止位，最后一個(gè)字節(jié)）
6. 將 TX FIFO 復(fù)位
7. 將錯(cuò)誤的地址 0x108 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，器件地址，寫權(quán)限）。

測(cè)試 4 - 不建議 將數(shù)據(jù)置于從器件地址 0x6C（含 1 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)以及 START 位和 STOP 位）： 1. 讀取 SR 以檢查總線未處于繁忙狀態(tài)并確認(rèn)所有 FIFO 均為空。
2. 將 0x3D8 寫入 TX_FIFO（設(shè)置啟動(dòng)位，停止位，器件地址，寫權(quán)限）。 由于該字節(jié)為停止位，故將被視為最后一個(gè)字節(jié)。 對(duì)其將不會(huì)生成 TX FIFO 空中斷傳輸，因此它將產(chǎn)生總線不繁忙中斷。 根據(jù) IIC 協(xié)議，我們不建議在任一字節(jié)中同時(shí)包含啟動(dòng)位和停止位。 請(qǐng)參閱如下有關(guān)此行為的示例：

建議遵循測(cè)試案例 1、2 和 3 進(jìn)行操作，但不建議使用測(cè)試案例 4。 這也將有助于您遵循編程序列來進(jìn)行操作。 注釋： 1) 請(qǐng)留意 ISR interrupt(4) 而不是 interrupt(2)，以檢測(cè)最后一個(gè)字節(jié)的結(jié)束位置。在 interrupt(2) 上會(huì)將監(jiān)測(cè)到的最后一個(gè)字節(jié)前發(fā)生的中斷判定為正常。 2) 根據(jù) IIC 協(xié)議，請(qǐng)勿將啟動(dòng)位和停止位與數(shù)據(jù)/地址字節(jié)置于一處。