模拟I2C协议学习点滴之原理框架

I2C是一种串行总线协议。 目前几种常用的串行总线有UART、SPI和I2C协议。UART协议的总线只有两条，发送（Transmit：TX)和接收(Receive:RX)，没有时钟信号，这就要求两位数据的间隔要相同，它传送数据有严格的规定，每个数据以相同的位串形式传送，每个位串由起始位、数据位、奇偶位校验和停止位组成。SPI有三线和四线模式，四条总线分别为SCLK(时钟）、MISO(主器件数据输入，从器件数据输出）、MOSI(主器件数据输出，从器件数据输入）、SS（从器件使能信号），SPI总线由主机提供时钟，为同步通信，有两条总线进行数据传输，可以同时进行收发数据，为双工模式。三线不包含SS信号，其相应的数据传输，根据时钟极性和时钟相位的不同有四种情况，其传送数据的格式则与I2C基本类似。I2C总线只有两条，SDA(数据传输）、SCL（时钟），需要双向IO口支持，而且需要上拉电阻的协助，因此狂干扰能力弱，通常用于同一板子上芯片间的通信。

硬件结构：每一个I2C总线器件内部的SDA,SCL引脚结构一样，引脚的输出驱动与输入脉冲连在一起，输出为漏极开路的场效应管，输入为一只高输入阻抗的同相器。SCL和SDK借助上拉电阻行成“线与”关系，引脚在输出信号的同时还将引脚上的电平，检测是否与刚才输出一致。为“时钟同步”和“总线仲裁”提供硬件基础。时间同步的实现：可以在应答信号后使SCL延长低电平时间的方法来通知主机。SCL线上的低电平时间是由时钟低电平最长的器件决定；高电平时间是由时钟高电平最短的器件决定。从而实现时钟同步。

数据传输：主机发送数据传输流程：主机检测到总线处于空闲状态，发送启动信号S（数据线电平由低电平变为高电平）；主机发送一个命令字节，该命令字节由7位的外围器件地址和1位读/写控制位（R/W=0）；相应的从机收到命令字节后，向主机发送应答信号ACK=0（数据线上为低电平)；主机收到从机的应答信号后开始发送下一个数据字节；当主机发送最后一个数据字节并收到从机的ACK时，通过向从机发送一个停止信号P（数据线电平由低电平变为高电平）结束本次通信并释放总线。从机收到信号P后也退出通信。

主机接收数据流程：主机发送启动信号，接着发送命令字节（R/W=1）；对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据；主机收到数据后向从机反馈一个应答信号；从机收到应答信号后再向主机发送一个数据；主机完成接收数据后，向从机发送一个非应答信号（ACK=1)，从机收到应答信号后，便不再发送数据；主机 发送应答信号后，发送一个停止信号，释放总线结束通信。Tips:主机所接收的数量由主机自身决定，发送非应答信号的作用：前一个数据接收成功；停止从机的再次发送。

以一个实例（开发板为EP2C8-2010)分析了解I2C协议基本功能：该例实现通过I2C总线对EEPROM（电可擦可编程只读存储器，掉点后数据不丢失在专用的设备商可擦除）的读写，重点在于对I2C总线协议时序的掌握，即用I2C总线要求的格式将输入写入之后读出。为实现该功能，完成两个器件间的通信，我们需要一个主机和从机，设计实例中的signal模块和EEPROM_WR模块模拟主机，EEPROM模块模拟从机。当写入数据时，EEPROM_WR模块从signal模块调取数据，通过I2C总线向EEPROM写数据。当读出数据时，EEROM_WR仍然通过SDA和SCL总线读出EEPROM中的数据，再输入给signal模块。开发板存在EEPROM器件，而signal模块可以通过创建IP核（基于ram)来实现，因此只有EEPROM_WR模块是要写入FPGA中的可综合模块，而signal模块和EEPROM模块都是 仿真模块。

每个正在接收数据的从机EEPROM在接到一个字节的数据后，通常需要发出一个应答信号。而每个正在发送数据的从机EEPROM在发出一个字节的数据后，通常需要接收一个应答信号。EEPROM读写控制器必须产生一个与这个应答位相联系的额外的时钟脉冲。在EEPROM读写控制器对EEPROM完成的最后一个字节产生一个高的应答位，这叫做非应答信号，随后给EEPROM一个结束信号。

由于开发板EP2C8-2010开发板采用的EEPROM是AT24C02,所以EEPROM_WR模块的编写应该满足AT24C02的写入和读取。如下图所示是AT24C02字节写入帧格式，第一位是启动信号，第2位到第8位是控制字节（从机地址：第2-5位是1010，6-8位是页地址），第9位是写操作（W/R置零），第10位是从机EEPROM给的应答信号0，第11-18位是存储单元地址，19位是应答信号0，第20-27位是写入的数据，第28位是应答信号，29号主机发送停止信号P。

而与之相对应的字节读取格式也大同小异，先写入控制字节和存储地址，然后是启动信号与控制字节信号，这时控制字节第八位（W/R置1），读取数据，完成读取时，主机将SDA拉高作为非应答信号，最后是停止位。