助力通关硬件开发基础面专刊<21/30>--第五章接口协议、基础元件、可靠性 ---I2C原理
5.1 接口协议
5.1.1同步通信与异步通信
【考点映射】
》》》什么是同步通信？
》》》什么是异步通信？
》》》两者的区别？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
串行通信通常可以分为同步通信和异步通信
同步通信
同步通信是一种进行连续发送串行数据的通信。
同步通信在传输数据的时候，发送和接收双方需使用同频同相的时钟，使发送和接收双方保持同步。
在接收端识别到同步字节后，即开始连续传输字符，不用开始位和停止位。
优点：支持相对高速和大容量的数据传输
缺点：要求时钟同频同相，电路复杂。
异步通信
异步通信的发送端在发送字节的时候，字节之间的间隔可以任意的，字节内的间隔为固定。
因此，接收端需要时刻准备接收。
每个字节需要开始位和停止位，方便接收端接收每个字节。
优点：电路结构简单，价格便宜。
缺点：每个字节都需要开始位和停止位，信道利用率低。
两者区别
- 1、同步通信需要发送和接收的时钟同频同相，异步通信不要时钟同步。
- 2、同步通信字节之间时间间隔一致，异步通信的字节之间的时间间隔可以任意。
- 3、同步通信的效率比异步通信效率高
- 4、同步通信相比异步时钟，对时钟要求高，电路结构较为复杂。
- 5、同步通信适合点对多点，异步通信适合点对点。
异步通信有：UART
下面将分别对这些通信进行介绍
5.1.2I2C总线的原理
【考点映射】
》》》I2C是双工通信吗？
》》》I2C的传输速率分别有哪几种？
》》》I2C的起始信号和终止信号是？
》》》能画一下I2C协议时序图吗？
【出现频度】⭐⭐⭐⭐⭐
【难度】★★【参考答案】
I2C的通信方式
I2C通信总线中主要有两条信号线，一条是SDA数据线，另一条为SCL时钟线。
两条线都是支持双向传输的。但是由于只有一条SDA线，在某个时间内只支持单向通信，因此为I2C为半双工通信。
I2C的通信原理就是根据着两条线的高低电平和时序，完成对信号的传输。
I2C的特征
1、SCL串行时钟线和SDA串行数据线为开漏输出，需要外接上拉电阻。
2、总线空闲时，SCL和SDA均为高电平。
3、I2C总线上的设备都可以作为主设备或者从设备，每个设备都有一个地址。
总线传输速度
1、标准模式下100kbit/s
2、快速模式下400kbit/s
3、快速模式+1Mbit/s
4、高速模式下3.4Mbit/s
5、超快速模式下5Mbits/s（仅支持单向传输）
PS（I2C的实际速度可以不只这四五种，可以处于这些速度范围内）
I2C的传输协议
根据14年的I2C标准协议https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf中，
其规定，总线上的数据传输是以起始信号为开始条件，以结束信号为传输终止的条件。
起始和终止条件都是由主设备产生的。
起始条件发起后，I2C总线处于忙碌状态。终止条件后，处于空闲状态。
起始条件：当I2C总线处于空闲状态时，SCL和SDA保持着高电平，然后SDA从高电平向低电平切换，即产生了起始信号。
终止条件：当I2C总线处于忙碌状态时，SCL保持高电平，SDA保持低电平，然后SDA从低电平向高电平切换，即产生了终止信号。
I2C协议的时序图，如图所示
主设备在传输数据前，要先传输从设备的地址，寻找对应的从设备。
传输从设备的地址跟传输数据是类似的，不过从设备的地址大都为7位，因此最低位用于表示数据传输的方向。
0：主设备往从设备写入数据；1：主设备从从设备读取数据
从图中，我们也可以看到，每一此传输的数据由9比特组成：8比特内容（地址7bit+读写）+1比特的应答位（ACK）。
一次数据传输的过程如下：
主设备在时钟线SCL上产生时钟，每个时钟都会让SDA进行传输一位数据，当数据从高位到低位（8比特）传输完成后，
然后拉低SDA线，等待从设备的应答，此时一次数据传输才算完成，
5.1.3建立时间和保持时间
【考点映射】
》》》建立时间和保持时间的含义是？
》》》能画一下时序图表示一下吗？
【出现频度】⭐⭐⭐⭐⭐【难度】★★
【参考答案】
建立时间
时钟信号上升沿来临前，数据保持不变的时间
保持时间
时钟信号下降沿来临后，数据保持不变的时间
建立时间和保持时间的作用在于让数据在被时钟采样时是准确的，如果不满足要求，无法被触发器所采集，甚至可能会造成数据的错误。
其时序如图所示，tSU-DAT为建立时间，tHD-DAT为保持时间。
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