常用SDA的仲裁过程详解

[导读]在电子设计开发中I2C大家已经很熟悉了，每一种电子产品小到电子开关，大到卫星通信都会利用的I2C总线。据统计I2C在电子产品中占据了93%的份额，几乎任何一种电路都要使用。

在电子设计开发中I2C大家已经很熟悉了，每一种电子产品小到电子开关，大到卫星通信都会利用的 I2C总线。据统计I2C在电子产品中占据了93%的份额，几乎任何一种电路都要使用。

I2C是由PHILIPS公司在1980年开发的两线式串行总线，至今已经发展30多年的历史了。古老的电子产品中就已经在使用I2C总线了。I2C总线在所有总线中是最简单，最稳定的一种，由于发展历史久远，所以I2C总线出现了多种版本。但是万变不离其中，有的厂商甚至在原有I2C总线的基础上，自己改变了总线时序，成为独有的I2C。但是基本原理不变。我遇到过很多人在问我，自己的I2C程序明明已经调试好，可换了个芯片就通信失败了，不能读取数据了。都是I2C的元器件，只是芯片厂家不同。在这里我告诉大家，这总线历史悠久，各种版本的要有几十种甚至几百种了，所有版本的通信格式，协议都一样，只是时间不同了，因为有的芯片厂家更改了时序中的时钟周期。所以大家遇到这种问题，只需调整延时，其余不动即可，不必不知所措，乱找问题。

I2C总线从机设备最多支持127个，主要是通过串行数据(SDA)线和串行时钟 (SCL)线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址。

I2C总线有三种数据传输速度：标准，快速模式和高速模式。标准的是100Kbps，快速模式为400Kbps，高速模式支持快至3.4Mbps的速度。所有的与次之传输速度的模式都是兼容的。I2C总线支持7位和10位地址空间设备和在不同电压下运行的设备。

TTL电平与COMS在I2C这里通用。是相互兼容的。

由于I2C的模式多种多样，我就给大家讲一种常用的7位寻址模式的通信，还有10位模式，大家可以自行找资料去了解，这种10位模式的较少。

总线通信流程大概分为四部分。1.启动—2.数据传输—3.应答—4.结束。

启动与结束：

SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件;

SCL 线是高电平时，SDA 线由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。

数据传输：

发送到SDA 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位(MSB)，如果从机要完成一些其他功能后(例如一个内部中断服务程序)才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线SCL 保持低电平，迫使主机进入等待状态，当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线SCL 后数据传输继续。

SDA仲裁

SDA线的仲裁也是基于总线具有线路 "AND "逻辑功能的原则。节点发送1位数据后，比较总线上呈现的数据是否与它发送的内容一致(类似于CAN总线的回读机制)，一致继续发送否则退出竞争。SDA线的仲裁可以确保 I2C总线系统正常通信，当多个主节点试图同时控制总线时，数据不会丢失。总线系统通过仲裁只允许一个主节点继续占用总线。

仲裁过程

DATA1和DATA2分别是主节点发送给总线的数据信号，SDA是总线上呈现的数据信号，SCL是总线上呈现的时钟信号。当主节点1和2同时发送启动信号时，两个主节点都发送高电平信号，这时，总线上的信号为高电平，两个主节点检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。在第二个时钟周期，两个主节点都发送低电平信号，总线上呈现的信号为低电平，继续发送数据。在第3个时钟周期，主节点1发送一个高电平信号，而主节点2发送一个低电平信号，根据总线的 "AND "线的逻辑功能，总线上的信号是低电平。这时，主节点1检测到总线上的数据与自己发送的数据不同，并断开数据的输出阶段，转向从机接收状态，这样主节点2赢得了总线数据没有丢失，即总线上的数据与主节点2发送的数据相同，主节点1转为从节点后继续接收数据，也没有丢失SDA线。因此在仲裁过程中，数据不会丢失。

小结：SDA仲裁和SCL时钟同步处理不是顺序进行的，而是同时进行的。在实际使用中，I2C很容易出现死锁。有两种常见的情况会发生死锁：

一种情况是，当从属设备回复ACK时，主设备异常复位。

另一种情况是，当从属设备回复的数据位为0时，主设备异常复位。

这两种情况的相同点是，当主设备被异常复位时，SDA处于被从属设备拉低的状态，而SCL在主设备复位后处于VOH(空闲状态)。此时，从设备将等待主设备将SCL拉低，以获取ACK或数据位，而主设备将等待从设备释放SDA线。主设备和从设备互相等待，在空中互相对视，进入死锁状态。

下面是一些解决死锁问题的常用方法：主设备检测到SDA线后，从设备就会释放SDA线。

主设备检测到SDA被拉低超过一段时间后，会主动复位从设备释放SDA。这种方法的前提是，从属设备有一个复位引脚，MCU可以控制从属设备的复位引脚使其复位。

在主设备检测到SDA被拉低超过一段时间后，它向时钟总线推送9个时钟，并占用从属设备的ACK位，这样从属设备就会释放SDA到一个VOH。

在主设备和从设备之间串联一个I2C缓冲器，它可以自动检测死锁情况。当检测到死锁时，它将主动断开与主设备的连接，并向从设备发送9个时钟。在从属设备释放SDA线后，它将重新与主设备建立连接。

I2C死锁问题不能从根本上避免，除了由MCU的异常复位引起的I2C死锁外，在正常的通信过程中，从属设备也可能异常地拉下SDA而引起死锁。因此，当死锁发生时，软件应设计成能够从死锁中恢复，从而使I2C通信能够继续。

CORPORATE CULTURE 时钟拉伸

时钟拉伸

什么是I2C时钟拉伸?在I2C的主从通信过程中，总线上的SCL时钟总是由主站产生和控制，但如果从站不能跟上主站的速度，I2C协议规定从站可以拉低SCL时钟线。传输会暂停，直到从机释放SCL线，然后继续传输。

时钟拉伸是从属设备的一个可选配置。如果不启用，从机不能控制SCL;如果启用，从机可以通过强行将SCL拉低来降低传输速度。在SCL为VOL的期间，主机只能等待从机释放SCL。

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重复启动

有时，主站需要在一次通信中进行多次信息交换，如与不同的从站传输信息，或切换读写操作，而又不想在此期间被其他主站干扰，那么可以使用 "重复启动条件"--在一次通信中，主站可以产生多个启动条件来完成多个信息交换，最后产生一个停止条件来结束整个通信过程。由于在此期间没有停止条件，所以主站一直占据着窃听器，而其他主站无法切换进来。