SPI和I2C的對比 FPGA實測I2C波形

I2C是什么
在消費電子，工業(yè)電子等領(lǐng)域，會使用各種類型的芯片，如微控制器，電源管理，顯示驅(qū)動，傳感器，存儲器，轉(zhuǎn)換器等，他們有著不同的功能，有時需要快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，為了使用最簡單的方式使這些芯片互聯(lián)互通，于是I2C誕生了，I2C（Inter－IntegratedCircuit）是一種通用的總線協(xié)議。它是由Philips（飛利浦）公司，現(xiàn)NXP（恩智浦）半導(dǎo)體開發(fā)的一種簡單的雙向兩線制總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。對于硬件設(shè)計人員來說，只需要2個管腳，極少的連接線和面積，就可以實現(xiàn)芯片間的通訊，對于軟件開發(fā)者來說，可以使用同一個I2C驅(qū)動庫，來實現(xiàn)實現(xiàn)不同器件的驅(qū)動，大大減少了軟件的開發(fā)時間。極低的工作電流，降低了系統(tǒng)的功耗，完善的應(yīng)答機(jī)制大大增強(qiáng)通訊的可靠性。

多主多從
5種速率
I2C協(xié)議可以工作在以下5種速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。
標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard）：100kbps
快速模式（Fast）：400kbps
快速模式+（Fast-Plus）：1Mbps
高速模式（High-speed）：3.4Mbps
超快模式（Ultra-Fast）：5Mbps（單向傳輸）

I2C速率模式【bps：bit/s，即SCL的頻率】其中超快模式是單向數(shù)據(jù)傳輸，通常用于LED、LCD等不需要應(yīng)答的器件，和正常的I2C操作時序類似，但是只進(jìn)行寫數(shù)據(jù)，不需要考慮ACK應(yīng)答信號。

超快模式在I2C協(xié)議的官方文檔NXP_UM10204_I2C-busspecificationandusermanual_Rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章節(jié)分別進(jìn)行介紹。
4種信號
I2C協(xié)議最基礎(chǔ)的幾種信號：起始、停止、應(yīng)答和非應(yīng)答信號。
起始信號
I2C協(xié)議規(guī)定，SCL處于高電平時，SDA由高到低變化，這種信號是起始信號。
停止信號
I2C協(xié)議規(guī)定，SCL處于高電平，SDA由低到高變化，這種信號是停止信號。起始和停止信號
數(shù)據(jù)有效性
I2C協(xié)議對數(shù)據(jù)的采樣發(fā)生在SCL高電平期間，除了起始和停止信號，在數(shù)據(jù)傳輸期間，SCL為高電平時，SDA必須保持穩(wěn)定，不允許改變，在SCL低電平時才可以進(jìn)行變化。

數(shù)據(jù)有效性
應(yīng)答信號
I2C最大的一個特點就是有完善的應(yīng)答機(jī)制，從機(jī)接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)時，會回復(fù)一個應(yīng)答信號來通知主機(jī)表示“我收到了”。應(yīng)答信號出現(xiàn)在1個字節(jié)傳輸完成之后，即第9個SCL時鐘周期內(nèi)，此時主機(jī)需要釋放SDA總線，把總線控制權(quán)交給從機(jī)，由于上拉電阻的作用，此時總線為高電平，如果從機(jī)正確的收到了主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，會把SDA拉低，表示應(yīng)答響應(yīng)。

應(yīng)答信號使用MCU、FPGA等控制器實現(xiàn)時，需要在第9個SCL時鐘周期把SDA設(shè)置為高阻輸入狀態(tài)，如果讀取到SDA為低電平，則表示數(shù)據(jù)被成功接收到，可以進(jìn)行下一步操作。
非應(yīng)答信號
當(dāng)?shù)?個SCL時鐘周期時，SDA保持高電平，表示非應(yīng)答信號。

非應(yīng)答產(chǎn)生非應(yīng)答信號可能是主機(jī)產(chǎn)生也可能是從機(jī)產(chǎn)生，產(chǎn)生非應(yīng)答信號的情況主要有以下幾種：
I2C總線上沒有主機(jī)所指定地址的從機(jī)設(shè)備
從機(jī)正在執(zhí)行一些操作，處于忙狀態(tài)，還沒有準(zhǔn)備好與主機(jī)通訊
主機(jī)發(fā)送的一些控制命令，從機(jī)不支持
主機(jī)接收從機(jī)數(shù)據(jù)時，主機(jī)產(chǎn)生非應(yīng)答信號，通知從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，不要再發(fā)數(shù)據(jù)了
讀寫時序
向指定寄存器地址寫入指定數(shù)據(jù)操作時序：

寫時序從指定寄存器地址讀取數(shù)據(jù)操作時序：

讀時序注意，讀數(shù)據(jù)時有兩次起始信號。
7位和10位地址
大多數(shù)I2C器件支持7位地址模式，有一些器件還支持10位地址，而且兩種類型的器件可以連接在同一個I2C總線上，目前10位地址的器件還沒有被廣泛使用。主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收。使用10位地址進(jìn)行寫時序：

10位地址寫主機(jī)接收，從機(jī)發(fā)送。使用10位地址進(jìn)行讀時序：

10位地址讀
I2C保留字節(jié)
I2C讀寫時起始位之后的第一個字節(jié)，除了廠商指定的設(shè)備地址外，還有一些保留字節(jié)，主要有兩組0000xxx和1111xxx，保留字節(jié)的含義：

保留字節(jié)上述的10位地址模式，就是使用到了最后一種保留字節(jié)。第一種廣播模式，可以通過寫入第二個字節(jié)06h來復(fù)位I2C總線上所有的從機(jī)器件。
具體操作時序可以查看文檔
NXP_UM10204_I2C-busspecificationandusermanual_Rev.6：
3.1.12Reservedaddresses
章節(jié)有詳細(xì)介紹。其中deviceID控制字（11111xx1），可以讀取I2C器件內(nèi)部的24位器件ID，通過對照NXPI2C協(xié)議器件列表可以查詢到器件所屬的廠商和型號。24位ID設(shè)備ID與器件廠商對應(yīng)表

ID與廠商對照
FPGA實測I2C波形
FPGA實現(xiàn)、、I2C等串行時序，最常用的實現(xiàn)方式就是狀態(tài)機(jī)大法，將各個步驟分解為各個狀態(tài)，然后根據(jù)不同的狀態(tài)去控制輸出或讀取輸入，細(xì)節(jié)方面需要考慮數(shù)據(jù)的對齊、建立和保持時間、一些異常情況時狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)，不能進(jìn)入死循環(huán)，或卡死在某一個狀態(tài)。I2C控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)定義：
//generalS0_IDLE=0，
S1_START1=1，
S2_CTRL_BYTE1=2，
S3_ACK1=3，
S4_ADDR=4，
S5_ACK2=5，//write：0-1-2-3-4-5-》6-7-13-14S6W_DATA=6，
S7W_ACK3=7，//read：0-1-2-3-4-5-》8-9-10-11-12-13-14S8R_START2=8，
S9R_CTRL_BYTE2=9，
S10R_ACK3=10，
S11R_DATA=11，
S12R_NACK=12，//generalS13_STOP=13，
S14_DONE=14，
S15_ERR=15;
注意SDA雙向端口的方向控制。
outputeeprom_scl，
inouteeprom_sda，
localparamDIR_IN=1‘b0;
localparamDIR_OUT=！DIR_IN;
regdir;
regi2c_sda;
regi2c_scl;
assigneeprom_scl=i2c_scl;
assigneeprom_sda=（dir==DIR_OUT）？i2c_sda：1’bz;
wiresda_in=eeprom_sda;
SDA應(yīng)該在第9個SCL時鐘周期設(shè)置為輸入狀態(tài)：

SDA方向控制下圖的波形是使用XilinxFPGA對AT24C1024的驅(qū)動，使用片上邏輯分析儀ChipScope抓取的實際波形，AT24C1024B存儲空間為1024KBit=131072Byte，存儲單元地址位寬為17位。AT24C1024B寫時序：

i2c_writeAT24C1024B讀時序：

i2c_read
SPI和I2C的對比
I2C是半雙工，是全雙工。
I2C支持多主多從模式，而SPI只能有一個主機(jī)。
從GPIO占用上來看，I2C占用更少的GPIO，更節(jié)省資源。
I2C有應(yīng)答響應(yīng)機(jī)制，數(shù)據(jù)可靠性更高，SPI沒有應(yīng)答機(jī)制。
I2C速率不會太高，最高速率3.4Mbps，SPI可以達(dá)到很高的速率。
I2C通過器件地址來選擇從機(jī)，從機(jī)數(shù)量的增加不會導(dǎo)致GPIO的增加，而SPI通過CS選擇從機(jī)，每增加一個從機(jī)就要多占用一個GPIO。
SPI協(xié)議在SCLK邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，I2C在SCL高電平期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。
兩者大多都應(yīng)用于板內(nèi)器件短距離通訊。
官方標(biāo)準(zhǔn)文檔下載
目前網(wǎng)上比較詳細(xì)的介紹I2C文檔主要有以下3個：
1.I2C官方標(biāo)準(zhǔn)文檔_UM10204
I2C的官方文檔是原飛利浦（Philips）半導(dǎo)體事業(yè)部，現(xiàn)恩智浦（NXP）半導(dǎo)體發(fā)布的UM10204文檔，全文共64頁，是目前最權(quán)威最詳細(xì)的I2C協(xié)議介紹文章，最新版本Rev.6發(fā)布于20140404，UM10204_4April2014：I2C-busspecificationandusermanual_Rev.6

2.TI：理解I2C文檔_SLVA704
TI在2015年發(fā)布了一篇SLVA704文檔，全文共8頁，精簡的概括了I2C協(xié)議的電氣特性，操作時序，讀寫時序等，比較適合I2C入門學(xué)習(xí)。

3.ZLG：I2C總線規(guī)范中文版
這篇文檔發(fā)布于2000年左右，是對飛利浦官方文檔UM10204_v2.1的翻譯。
I2C協(xié)議文檔只是最基礎(chǔ)的文檔，具體寄存器讀寫操作等操作，還是要結(jié)合所使用芯片的數(shù)據(jù)手冊來使用。