I2C是由Philips公司發(fā)明的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，僅使用兩根信號(hào)線：SerialClock（簡(jiǎn)稱SCL）和SerialData（簡(jiǎn)稱SDA）。I2C是總線結(jié)構(gòu)，1個(gè)Master，1個(gè)或多個(gè)Slave，各Slave設(shè)備以7位地址區(qū)分，地址后面再跟1位讀寫位，表示讀（=1）或者寫（=0），所以我們有時(shí)也可看到8位形式的設(shè)備地址，此時(shí)每個(gè)設(shè)備有讀、寫兩個(gè)地址，高7位地址其實(shí)是相同的。
I2C數(shù)據(jù)格式如下：
無數(shù)據(jù)：SCL=1，SDA=1；
開始位（Start）：當(dāng)SCL=1時(shí)，SDA由1向0跳變；
停止位（Stop）：當(dāng)SCL=1時(shí)，SDA由0向1跳變；
數(shù)據(jù)位：當(dāng)SCL由0向1跳變時(shí)，由發(fā)送方控制SDA，此時(shí)SDA為有效數(shù)據(jù)，不可隨意改變SDA；
當(dāng)SCL保持為0時(shí)，SDA上的數(shù)據(jù)可隨意改變；
地址位：定義同數(shù)據(jù)位，但只由Master發(fā)給Slave；
應(yīng)答位（ACK）：當(dāng)發(fā)送方傳送完8位時(shí)，發(fā)送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否應(yīng)答位（NACK）：當(dāng)發(fā)送方傳送完8位時(shí)，發(fā)送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。
當(dāng)數(shù)據(jù)為單字節(jié)傳送時(shí)，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，停止位。
當(dāng)數(shù)據(jù)為一串字節(jié)傳送時(shí)，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，……，8位數(shù)據(jù)，應(yīng)答，停止位。
需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照數(shù)據(jù)傳送的方向，讀數(shù)據(jù)時(shí)由Slave控制SDA，寫數(shù)據(jù)時(shí)由Master控制SDA。當(dāng)8位數(shù)據(jù)傳送完畢之后，應(yīng)答位或者否應(yīng)答位的SDA控制權(quán)與數(shù)據(jù)位傳送時(shí)相反。
2，開始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master來發(fā)出。
3，地址的8位傳送完畢后，成功配置地址的Slave設(shè)備必須發(fā)送“ACK”。否則否則一定時(shí)間之后Master視為超時(shí)，將放棄數(shù)據(jù)傳送，發(fā)送“Stop”。
4，當(dāng)寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，Master每發(fā)送完8個(gè)數(shù)據(jù)位，Slave設(shè)備如果還有空間接受下一個(gè)字節(jié)應(yīng)該回答“ACK”，Slave設(shè)備如果沒有空間接受更多的字節(jié)應(yīng)該回答“NACK”，Master當(dāng)收到“NACK”或者一定時(shí)間之后沒收到任何數(shù)據(jù)將視為超時(shí)，此時(shí)Master放棄數(shù)據(jù)傳送，發(fā)送“Stop”。
5，當(dāng)讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，Slave設(shè)備每發(fā)送完8個(gè)數(shù)據(jù)位，如果Master希望繼續(xù)讀下一個(gè)字節(jié)，Master應(yīng)該回答“ACK”以提示Slave準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)，如果Master不希望讀取更多字節(jié)，Master應(yīng)該回答“NACK”以提示Slave設(shè)備準(zhǔn)備接收Stop信號(hào)。
6，當(dāng)Master速度過快Slave端來不及處理時(shí)，Slave設(shè)備可以拉低SCL不放（SCL=0將發(fā)生“線與”）以阻止Master發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。此時(shí)Master將視情況減慢或結(jié)束數(shù)據(jù)傳送。
在實(shí)際應(yīng)用中，并沒有強(qiáng)制規(guī)定數(shù)據(jù)接收方必須對(duì)于發(fā)送的8位數(shù)據(jù)做出回應(yīng)，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO軟件模擬的方法來實(shí)現(xiàn)的情況下，編程者可以事先約定數(shù)據(jù)傳送的長(zhǎng)度，slave不檢查NACK，有時(shí)可以起到減少系統(tǒng)開銷的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要標(biāo)準(zhǔn)的NACK，master方是GPIO軟件模擬i2c并沒有正確的發(fā)送NACK，就會(huì)出現(xiàn)“slave收不到stop”導(dǎo)致i2c掛死。
在正常情況下，I2C總線協(xié)議能夠保證總線正常的讀寫操作。但是，當(dāng)I2C主設(shè)備異常復(fù)位時(shí)(看門狗動(dòng)作，板上電源異常導(dǎo)致復(fù)位芯片動(dòng)作，手動(dòng)按鈕復(fù)位等等)有可能導(dǎo)致I2C總線死鎖產(chǎn)生。下面詳細(xì)說明一下總線死鎖產(chǎn)生的原因。
在I2C主設(shè)備進(jìn)行讀寫操作的過程中.主設(shè)備在開始信號(hào)后控制SCL產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘脈沖，然后拉低SCL信號(hào)為低電平，在這個(gè)時(shí)候，從設(shè)備輸出應(yīng)答信號(hào)，將SDA信號(hào)拉為低電平。如果這個(gè)時(shí)候主設(shè)備異常復(fù)位，SCL就會(huì)被釋放為高電平。此時(shí)，如果從設(shè)備沒有復(fù)位，就會(huì)繼續(xù)I2C的應(yīng)答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖剑艜?huì)結(jié)束應(yīng)答信號(hào)。而對(duì)于I2C主設(shè)備來說.復(fù)位后檢測(cè)SCL和SDA信號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)SDA信號(hào)為低電平，則會(huì)認(rèn)為I2C總線被占用，會(huì)一直等待SCL和SDA信號(hào)變?yōu)楦唠娖健＿@樣，I2C主設(shè)備等待從設(shè)備釋放SDA信號(hào)，而同時(shí)I2C從設(shè)備又在等待主設(shè)備將SCL信號(hào)拉低以釋放應(yīng)答信號(hào)，兩者相互等待，I2C總線進(jìn)人一種死鎖狀態(tài)。同樣，當(dāng)I2C進(jìn)行讀操作，I2C從設(shè)備應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)，如果在這個(gè)時(shí)刻I2C主設(shè)備異常復(fù)位而此時(shí)I2C從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)位正好為0，也會(huì)導(dǎo)致I2C總線進(jìn)入死鎖狀態(tài)。 方法 (1)盡量選用帶復(fù)位輸人的I2C從器件。 (2)將所有的從I2C設(shè)備的電源連接在一起，通過MOS管連接到主電源，而MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷由I2C主設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
(3)在I2C從設(shè)備設(shè)計(jì)看門狗的功能。 (4)在I2C主設(shè)備中增加I2C總線恢復(fù)程序。 每次I2C主設(shè)備復(fù)位后，如果檢測(cè)到SDA數(shù)據(jù)線被拉低，則控制I2C中的SCL時(shí)鐘線產(chǎn)生9個(gè)時(shí)鐘脈沖(針對(duì)8位數(shù)據(jù)的情況，“9個(gè)clk可以激活”的方法來自NXP的文檔，NXP（Philips）作為I2C總線的鼻祖，這樣的說法是可信的)，這樣I2C從設(shè)備就可以完成被掛起的讀操作，從死鎖狀態(tài)中恢復(fù)過來。 這種方法有很大的局限性，因?yàn)榇蟛糠种髟O(shè)備的I2C模塊由內(nèi)置的硬件電路來實(shí)現(xiàn)，軟件并不能夠直接控制SCL信號(hào)模擬產(chǎn)生需要時(shí)鐘脈沖。 或者，發(fā)送I2C_Stop條件也能讓從設(shè)備釋放總線。
如果是GPIO模擬I2C總線實(shí)現(xiàn)，那么在I2C操作之前，加入I2C總線狀態(tài)檢測(cè)I2C_Probe，如果總線被占用，則可嘗試恢復(fù)總線，待總線釋放后，再進(jìn)行操作。要保證I2C操作最小單元的完整性，不被其他事件（中斷、高優(yōu)先級(jí)線程，等）打斷。
(5)在I2C總線上增加一個(gè)額外的總線恢復(fù)設(shè)備。這個(gè)設(shè)備監(jiān)視I2C總線。當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到SDA信號(hào)被拉低超過指定時(shí)間時(shí)，就在SCL總線上產(chǎn)生9個(gè)時(shí)鐘脈沖，使I2C從設(shè)備完成讀操作，從死鎖狀態(tài)上恢復(fù)出來。總線恢復(fù)設(shè)備需要有具有編程功能，一般可以用單片機(jī)或CPLD實(shí)現(xiàn)這一功能。 (6)在I2C上串人一個(gè)具有死鎖恢復(fù)的I2C緩沖器，如Linear公司的LTC4307是一個(gè)雙向的I2C總線緩沖器，并且具有I2C總線死鎖恢復(fù)的功能。LTC4307總線輸入側(cè)連接主設(shè)備，總線輸出側(cè)連接所有從設(shè)備。當(dāng)LTC4307檢測(cè)到輸出側(cè)SDA或SCL信號(hào)被拉低30ms時(shí)，就自動(dòng)斷開I2C總線輸入側(cè)與輸出側(cè)的連接.并且在輸出側(cè)SCL信號(hào)上產(chǎn)生16個(gè)時(shí)鐘脈沖來釋放總線。當(dāng)總線成功恢復(fù)后，LTC4307會(huì)再次連接輸入輸出側(cè)，使總線能夠正常工作。
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[復(fù)制鏈接]
