IIC匯流排協議基礎1

1．IIC時序基礎知識

SDA：雙向資料線引腳，用來傳輸序列資料。引腳一般為開漏結構，可以和其他的開漏極或開集電極進行“線與”。【不同手冊上看到有“線或”的說法，應該不對】

SCL：時鐘輸入引腳。【有些資料說是在SCL的上升沿才能將資料寫入AT24C02中，在SCL的下降沿才能從 AT24C02 中讀出資料，這是不正確的。實際測試：在SCL的下降沿後再從SDA總線上去讀取資料，資料有誤。】

開始時序：在SCL高電平時SDA出現一個下降沿；

結束時序：在SCL高電平時SDA出現一個上升沿；

資料SDL變化必須在SCL低電平的時候變化。並且在SCL高電平時保持不變，否則會被誤認為是命令（開始/結束）條件。

SCL一直由Master控制，SDA依照資料傳送的方向，讀資料時由Slave控制SDA，寫資料時由Master控制SDA。當8位資料傳送完畢之後，應答位ACK或者非應答位NACK的SDA控制權與資料位傳送時相反。

寫資料的時候，Master每傳送完8個數據位，Slave裝置如果還有空間接受下一個位元組應該回答“ACK”，Slave裝置如果沒有空間接受更多的位元組應該回答“NACK”，Master當收到“NACK”或者一定時間之後沒收到任何資料將視為超時，此時Master放棄資料傳送，傳送“Stop”。

讀資料的時候，Slave裝置每傳送完8個數據位，如果Master希望繼續讀下一個位元組，Master應該回答“ACK”以提示Slave準備下一個數據，如果Master不希望讀取更多位元組，Master應該回答“NACK”以提示Slave裝置準備接收Stop訊號。

MASTER 指主控制端，在一般系統中就是我們常說的微控制器了；

SLAVE是指具備I2C協議的專用IC，比如24C16、14C32等。

在資料傳送器傳送完8個位數據後，就會把SDA釋放（拉高，因為IIC外部上拉）。裝置在接收完畢8個位後，在第9個時鐘SCL，裝置將SDA拉低，產生應答ACK，來告訴資料傳送器收到資料了。當傳送器檢測到SDA被拉低，就知道裝置接收器接收完畢資料了。

非應答（NACK）一般發生在主機讀取資料時，當主機要結束讀取資料時，就會發出非應答NACK。

如果slave方是硬體i2c要求一定要標準的NACK，master方是GPIO軟體模擬i2c若沒有正確的傳送NACK，就會出現“slave收不到stop”導致i2c掛死。

MASTER向SLAVE傳送資料

MASTER每次向SLAVE端傳送8位資料後，就會將SDA置1，等待SLAVE端的確認；SLAVE端如果正確接受到資料，就會自動將SDA置0。程式能做的只是檢測確認訊號，即每傳送完8位資料後就檢測一次SDA的狀態，如果是0，則讓程式繼續往下執行，如果是1則強迫MASTER將剛才的8位資料再發送一遍；當然，如果SDA一直是1，也就是SLAVE一直未能正確接受到資料，也不能一直讓MASTER反覆傳送，要做TIMEOUT處理，以防系統宕機。

MASTER從SLAVE讀取資料：

MASTER從SLAVE端讀取資料，情況與傳送資料有所區別，在讀到最後8位資料時，要將SDA置1，也就是做NACK動作，讓系統知道讀取資料到此結束；這個置1動作由程式來做，因為資料讀到哪裡結束，只有程式設計師知道。

IIC資料傳輸方式

    NOTE：IIC是MSB FIRST傳送的

即在傳送完一個位元組後（開始+8資料+ACK），沒有傳送STOP的情況下，繼續下一次START（就是指repeatstart）。這個需要注意的是在第9個時鐘之後和REPEAT START之間SDA要有一定的延時Tbuf（一般有個最小值）。

內部寫入週期器件，STOP和下一次的START之間需要有個延時Twr，保證裝置寫好資料。一般手冊給出一個Twr最大值。

注意：英文資料裡要求24c02內部寫資料最大時間為10ms，也就是說在軟體設計時，應該把2次寫記憶時間間隔控制在大於Twr時間即間隔大於10ms，這樣就不會有問題了，不同的晶片Twr時間相差很大，一般以參考手冊為準。

NOTE：IIC是MSB FIRST傳送的

2．IIC裝置

（以AT24C02器件為物件來介紹）

SDA引腳通常由外部裝置上拉。SDA上的資料只有在SCL是low的時候才可以變化。如果SDA上的資料在SCL的high期間內變化，那麼將會被認為是開始/結束條件。

在SCL的high期間，SDA從high-到-low變化，就會觸發一個開始條件。這個條件必須在其他任何指令開始之前發出的。

在SCL的high期間，SDA從low-到-high變化，就會觸發一個結束條件。在讀時序之後，收到一個停止條件，將會使EEPROM進入待機模式。

所有的資料和地址資訊都是通過8-bit的形式進行來回傳輸的。EEPROM將傳送一個0來應答，表示它已經接收到每個位元組了。這個時刻發生在第9個SCL。

AT24C02有待機模式的特性，如下形式將進入待機模式：

（1）      上電後；

（2）      接收到STOP，或者完成了內部所有操作後；

在協議中斷，掉電或者系統復位後，可以通過如下步驟進行復位：

（1）      傳送一個START條件；

（2）      傳送9個時鐘；

（3）      再發送一個START條件，並緊跟著一個STOP條件。

2K EEPROM裝置需要在一個START條件後面，跟上一個8-bit的裝置地址使能晶片讀、寫功能。

裝置地址的高4位由固定的1和0組成。通常在EEPROM裝置中的高四位地址都是一樣的。【不知道為什麼？？？】

緊接著3位是2K EEPROM的A2、A1、A0裝置地址位，這三位是用來區分EEPROM裝置的，需要和硬體地址相等。

最後，第8位是裝置地址的READ/WRITE讀/寫位。此位置1表示讀操作，此為置0為寫操作。

當裝置地址對比之後，EEPROM將會反饋輸出一個0.假如比較結果不對，那麼晶片（EEPROM）將進入待機狀態。

AT24C02裝置地址的高4位由固定的1和0組成。接著3位是EEPROM的裝置地址位A2、A1、A0。第8位是裝置地址的READ/WRITE讀/寫位。此位置1表示讀操作，此為置0為寫操作。

寫操作需要傳送裝置地址，並跟隨一個8-bit位資料地址和ACK。在接收到地址後，EEPROM將再次響應輸出0，然後進入第一個8-bit資料的時鐘。接收到8-bit資料後，EEPROM將輸出一個0，定址裝置（主裝置）必須傳送一個STOP條件結束寫操作。這樣EEPROM就進入內部寫入階段（internally timed write cycle .[twr]），避免外部對memory進行操作。在這個階段，所有輸入無效，並且EEPROM不會有任何響應，直到內部寫完畢。

這個2K的EEPROM能夠進行8-byte頁寫入。

Page寫入和byte寫入的初始化是一樣的，只是控制器在傳送完第一個資料後，不傳送STOP條件。而是在第一個資料的ACK後，連續在傳送後面的7個數據位元組。EEPROM將在接收到每個資料位元組後，均會產生一個ACK來響應（控制器）。傳送完8個位元組後，控制器必須傳送一個STOP條件來結束PAGE寫入。

資料地址的低3位bit在接收到每個資料後，都會自動增加。資料地址的高5位bit資料不增加，保持在當前頁【row location】。

如果寫入資料的地址，自動增加達到了PAGE邊緣，那麼接下去的位元組將會從本頁從頭開始覆蓋儲存(“roll over”)。就是所如果在寫入頁的資料大於8byte（8-byte容量的page），那麼多於的資料將會從本頁從頭寫入，並覆蓋掉先前的資料。所以在寫入資料大於PAGE容量時，在寫完一個PAGE，就需要STOP，然後重新開始，並寫入下一頁的地址，在開始寫入資料。

    一旦進入內部寫週期，將開啟輪詢應答，外部對EEPROM的輸入將失效。此時如果傳送一個START條件，和裝置地址給EEPROM，只有當內部寫週期完成後，EEPROM裝置才會產生應答ACK。

    有三種讀操作：讀取當前地址資料，隨機地址讀取，連續地址讀取。

只要晶片電源沒有掉電，在進行上一次A地址的讀寫操作之後，(A+1)地址就會一直有效。在讀取資料中出現的“roll over”，指的是從最後一頁的最後一個位元組，跳到第一頁的第一個位元組。【和寫時候出現的“roll over”是不一樣的】

    一旦在傳送裝置地址時，write/read位被設為1，並得到EEPROM應答ACK，那麼當前地址（就是前文中的【A+1】地址）的資料就會被輸出。控制器接收到資料後，不產生應答ACK【即產生非應答（NACK）】，而是在後面產生一個STOP條件。

【非應答：當控制器想結束訪問資料後，就將SDA拉高，結束讀取資料。但記得在NACK後要跟隨一個STOP】。

    隨機讀取資料，需要一個“dummy”操作，即：傳送裝置地址+寫操作（得到EEPROM應答ACK），並跟隨傳送需要訪問資料的地址。當這個動得到EEPROM的應答ACK，控制器必須再次產生一個START條件，接著傳送裝置地址+讀操作，在得到EEPROM應答ACK後，EEPROM接著就會發送出控制器要訪問資料的地址。控制器接收到資料後，不產生應答ACK【即產生非應答（NACK）】，而是在後面產生一個STOP條件。

可以看出“隨機地址讀”比“當前地址讀”多了一個“偽寫入”動作：

2.4.3 連續地址讀

連續讀取初始化，可以通過“當前地址讀取”或者“隨機地址讀取”操作來啟動。只是在控制器接收到以第一位元組後，控制器需要產生一個應答ACK給EEPROM。EEPROM一旦收到ACK，EEPROM就會繼續將資料地址+1，傳送資料。

當EEPROM的memory地址到達極限後，資料地址將會“roll over”，同時會繼續讀取資料。當控制器要終止連續讀操作，控制器不產生應答ACK【即產生非應答（NACK）】，而是在後面產生一個STOP條件。

注意：

當控制器要終止連續讀操作，直接給停止訊號也是可以結束此次讀操作，但是會對後面的操作帶來影響。非應答訊號在需要的時候必須給。

[1] Atmel AT24C02B datasheet

[2] NXP Semiconductors UM10204 datasheet