SPI和I2C的对比 FPGA实测I2C波形
i2c是什么
在消费电子，工业电子等领域，会使用各种类型的芯片，如微控制器，电源管理，显示驱动，传感器，存储器，转换器等，他们有着不同的功能，有时需要快速的进行数据的交互，为了使用最简单的方式使这些芯片互联互通，于是i2c诞生了，i2c（ inter－integrated circuit）是一种通用的总线协议。它是由philips（飞利浦）公司，现nxp（恩智浦）半导体开发的一种 简单的双向两线制总线协议标准。对于硬件设计人员来说，只需要 2个管脚，极少的连接线和面积，就可以实现芯片间的通讯，对于软件开发者来说，可以使用同一个i2c驱动库，来实现实现不同器件的驱动，大大减少了软件的开发时间。极低的工作电流，降低了系统的功耗，完善的 应答机制大大增强通讯的可靠性。
多主多从
5种速率
i2c协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。
标准模式（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（单向传输）
i2c速率模式【bps：bit/s，即scl的频率】其中超快模式是 单向数据传输，通常用于led、lcd等不需要应答的器件，和正常的i2c操作时序类似，但是 只进行写数据，不需要考虑ack应答信号。
超快模式在i2c协议的官方文档 nxp_um10204_i2c-bus specification and user manual_rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章节分别进行介绍。
4种信号
i2c协议最基础的几种信号： 起始、停止、应答和非应答信号。
起始信号
i2c协议规定，scl处于高电平时，sda由高到低变化，这种信号是起始信号。
停止信号
i2c协议规定，scl处于高电平，sda由低到高变化，这种信号是停止信号。 起始和停止信号
数据有效性
i2c协议对数据的采样发生在 scl高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，scl为高电平时，sda必须 保持稳定，不允许改变，在scl低电平时才可以进行变化。
数据有效性
应答信号
i2c最大的一个特点就是有完善的 应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“ 我收到了”。应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个scl时钟周期内，此时主机需要释放sda总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把sda拉低，表示应答响应。
应答信号使用mcu、fpga等控制器实现时，需要在第9个scl时钟周期把sda设置为 高阻输入状态，如果读取到sda为低电平，则表示数据被成功接收到，可以进行下一步操作。
非应答信号
当第9个scl时钟周期时，sda保持高电平，表示 非应答信号。 非应答产生非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：
i2c总线上没有主机所指定地址的从机设备
从机正在执行一些操作，处于忙状态，还没有准备好与主机通讯
主机发送的一些控制命令，从机不支持
主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了
读写时序
向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：
写时序从指定寄存器地址读取数据操作时序：
读时序注意，读数据时有两次起始信号。
7位和10位地址
大多数i2c器件支持 7位地址模式，有一些器件还支持 10位地址，而且两种类型的器件可以连接在同一个i2c总线上，目前10位地址的器件 还没有被广泛使用。主机发送，从机接收。使用10位地址进行写时序：
10位地址写主机接收，从机发送。使用10位地址进行读时序：
10位地址读
i2c保留字节
i2c读写时起始位之后的第一个字节，除了厂商指定的设备地址外，还有一些保留字节，主要有两组0000 xxx和1111 xxx，保留字节的含义：
保留字节上述的10位地址模式，就是使用到了最后一种 保留字节。第一种广播模式，可以通过写入第二个字节06h来 复位i2c总线上所有的从机器件。
具体操作时序可以查看文档
nxp_um10204_i2c-bus specification and user manual_rev.6 ：
3.1.12 reserved addresses
章节有详细介绍。其中device id控制字（1111 1xx1），可以读取i2c器件内部的 24位器件id，通过对照nxp i2c协议器件列表可以查询到器件所属的 厂商和型号。 24位id设备id与器件厂商对应表
id与厂商对照
fpga实测i2c波形
fpga实现、、i2c等串行时序，最常用的实现方式就是 状态机大法，将各个步骤分解为各个状态，然后根据不同的状态去控制输出或读取输入，细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转，不能进入死循环，或卡死在某一个状态。i2c控制状态机状态定义：
//general s0_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-》6-7-13-14 s6w_data = 6，
s7w_ack3 = 7， //read： 0-1-2-3-4-5-》8-9-10-11-12-13-14 s8r_start2 = 8，
s9r_ctrl_byte2 = 9，
s10r_ack3 = 10，
s11r_data = 11，
s12r_nack = 12， //general s13_stop = 13，
s14_done = 14，
s15_err = 15;
注意 sda双向端口的方向控制。
output eeprom_scl，
inout eeprom_sda，
localparam dir_in = 1‘b0;
localparam dir_out = ！dir_in;
reg dir;
reg i2c_sda;
reg i2c_scl;
assign eeprom_scl = i2c_scl;
assign eeprom_sda = （dir == dir_out） ？ i2c_sda ： 1’bz;
wire sda_in = eeprom_sda;
sda应该在 第9个scl时钟周期设置为输入状态：
sda方向控制下图的波形是使用xilinx fpga对 at24c1024的驱动，使用片上逻辑分析仪chipscope抓取的实际波形，at24c1024b存储空间为1024k bit = 131072 byte，存储单元地址位宽为17位。at24c1024b写时序：
i2c_writeat24c1024b读时序：
i2c_read
spi和i2c的对比
i2c是 半双工，是全双工。
i2c支持 多主多从模式，而 spi只能有一个主机。
从gpio占用上来看，i2c占用 更少的gpio，更节省资源。
i2c 有应答响应机制，数据可靠性更高， spi没有应答机制。
i2c速率 不会太高，最高速率3.4mbps，spi可以达到很高的速率。
i2c通过 器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致gpio的增加，而spi通过cs选择从机，每增加一个从机就要多占用一个gpio。
spi协议在sclk边沿进行数据采样，i2c在 scl高电平期间进行数据采样。
两者大多都应用于板内器件 短距离通讯。
官方标准文档下载
目前网上比较详细的介绍i2c文档主要有以下3个：
1. i2c官方标准文档_um10204
i2c的官方文档是原飞利浦（philips）半导体事业部，现恩智浦（nxp）半导体发布的um10204文档，全文共64页，是目前最权威最详细的i2c协议介绍文章，最新版本rev. 6发布于20140404， um10204_4 april 2014： i2c-bus specification and user manual_rev.6
2. ti：理解i2c文档_slva704
ti在2015年发布了一篇slva704文档， 全文共8页，精简的概括了i2c协议的电气特性，操作时序，读写时序等，比较适合i2c入门学习。
3. zlg：i2c总线规范中文版
这篇文档发布于2000年左右，是对飞利浦官方文档um10204_v2.1的翻译。
i2c协议文档只是最基础的文档，具体寄存器读写操作等操作，还是要结合所使用芯片的数据手册来使用。
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多主多从
5种速率
i2c协议可以工作在以下5种速率模式下，不同的器件可能支持不同的速率。
标准模式（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（单向传输）
i2c速率模式【bps：bit/s，即scl的频率】其中超快模式是 单向数据传输，通常用于led、lcd等不需要应答的器件，和正常的i2c操作时序类似，但是 只进行写数据，不需要考虑ack应答信号。
超快模式在i2c协议的官方文档 nxp_um10204_i2c-bus specification and user manual_rev.6，超快模式和其他模式在3.2和3.1章节分别进行介绍。
4种信号
i2c协议最基础的几种信号： 起始、停止、应答和非应答信号。
起始信号
i2c协议规定，scl处于高电平时，sda由高到低变化，这种信号是起始信号。
停止信号
i2c协议规定，scl处于高电平，sda由低到高变化，这种信号是停止信号。 起始和停止信号
数据有效性
i2c协议对数据的采样发生在 scl高电平期间，除了起始和停止信号，在数据传输期间，scl为高电平时，sda必须 保持稳定，不允许改变，在scl低电平时才可以进行变化。
数据有效性
应答信号
i2c最大的一个特点就是有完善的 应答机制，从机接收到主机的数据时，会回复一个应答信号来通知主机表示“ 我收到了”。应答信号出现在1个字节传输完成之后，即第9个scl时钟周期内，此时主机需要释放sda总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把sda拉低，表示应答响应。
应答信号使用mcu、fpga等控制器实现时，需要在第9个scl时钟周期把sda设置为 高阻输入状态，如果读取到sda为低电平，则表示数据被成功接收到，可以进行下一步操作。
非应答信号
当第9个scl时钟周期时，sda保持高电平，表示 非应答信号。 非应答产生非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：
i2c总线上没有主机所指定地址的从机设备
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主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了
读写时序
向指定寄存器地址写入指定数据操作时序：
写时序从指定寄存器地址读取数据操作时序：
读时序注意，读数据时有两次起始信号。
7位和10位地址
大多数i2c器件支持 7位地址模式，有一些器件还支持 10位地址，而且两种类型的器件可以连接在同一个i2c总线上，目前10位地址的器件 还没有被广泛使用。主机发送，从机接收。使用10位地址进行写时序：
10位地址写主机接收，从机发送。使用10位地址进行读时序：
10位地址读
i2c保留字节
i2c读写时起始位之后的第一个字节，除了厂商指定的设备地址外，还有一些保留字节，主要有两组0000 xxx和1111 xxx，保留字节的含义：
保留字节上述的10位地址模式，就是使用到了最后一种 保留字节。第一种广播模式，可以通过写入第二个字节06h来 复位i2c总线上所有的从机器件。
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fpga实现、、i2c等串行时序，最常用的实现方式就是 状态机大法，将各个步骤分解为各个状态，然后根据不同的状态去控制输出或读取输入，细节方面需要考虑数据的对齐、建立和保持时间、一些异常情况时状态的跳转，不能进入死循环，或卡死在某一个状态。i2c控制状态机状态定义：
//general s0_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-》6-7-13-14 s6w_data = 6，
s7w_ack3 = 7， //read： 0-1-2-3-4-5-》8-9-10-11-12-13-14 s8r_start2 = 8，
s9r_ctrl_byte2 = 9，
s10r_ack3 = 10，
s11r_data = 11，
s12r_nack = 12， //general s13_stop = 13，
s14_done = 14，
s15_err = 15;
注意 sda双向端口的方向控制。
output eeprom_scl，
inout eeprom_sda，
localparam dir_in = 1‘b0;
localparam dir_out = ！dir_in;
reg dir;
reg i2c_sda;
reg i2c_scl;
assign eeprom_scl = i2c_scl;
assign eeprom_sda = （dir == dir_out） ？ i2c_sda ： 1’bz;
wire sda_in = eeprom_sda;
sda应该在 第9个scl时钟周期设置为输入状态：
sda方向控制下图的波形是使用xilinx fpga对 at24c1024的驱动，使用片上逻辑分析仪chipscope抓取的实际波形，at24c1024b存储空间为1024k bit = 131072 byte，存储单元地址位宽为17位。at24c1024b写时序：
i2c_writeat24c1024b读时序：
i2c_read
spi和i2c的对比
i2c是 半双工，是全双工。
i2c支持 多主多从模式，而 spi只能有一个主机。
从gpio占用上来看，i2c占用 更少的gpio，更节省资源。
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i2c通过 器件地址来选择从机，从机数量的增加不会导致gpio的增加，而spi通过cs选择从机，每增加一个从机就要多占用一个gpio。
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1. i2c官方标准文档_um10204
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2. ti：理解i2c文档_slva704
ti在2015年发布了一篇slva704文档， 全文共8页，精简的概括了i2c协议的电气特性，操作时序，读写时序等，比较适合i2c入门学习。
3. zlg：i2c总线规范中文版
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