I2C總線簡介

　　I2C是兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。

　　I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

　　單片機的通訊模塊常用的有UART、SPI、I2C、CAN等等，當然還有無線模塊這里不討論。UART大多用于單片機與PC的通信，CAN總線常用于單片機與單片機通信，而SPI和I2C則用于單片機和外圍設(shè)備、外圍設(shè)備和其它外圍設(shè)備的通信，根據(jù)自己的需要來設(shè)計通訊方式。

　　相比較SPI而言，I2C需要更少的接線，僅由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成 。而SPI則需要四根引線，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCLK（時鐘），CS（片選）。但是常常因為I2C的通訊協(xié)議較為復(fù)雜，不容易在程序中實現(xiàn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、無應(yīng)答、“死等”等問題。

　　I2C通信、讀寫數(shù)據(jù)過程

　　在通信之初，主從機必須根據(jù)自己的要求約定好通信規(guī)則：command的定義和位置、address的位數(shù)和位置。

　　以讀寫從機寄存器數(shù)據(jù)為例：

　　假設(shè)從機寄存器地址為8位、從機寄存器也位8位（被讀取數(shù)據(jù)為8位）；

　　約定讀command為0x01，寫command位0x02；

　　約定主機發(fā)起通信后，第一個slave address字節(jié)收到ack后，緊跟的一個字節(jié)為command，再下面一個字節(jié)為address。

　　1. 讀寄存器數(shù)據(jù)步驟：

　　1.1 主機先發(fā)起一次通信，將讀command（0x01）和需要讀取的寄存器地址address寫入從機；（主機發(fā)出寫操作）

　　1.2 從機firmware的處理：

　　1.2.1 將command和address分別提取出來；

　　1.2.2 判斷command的含義（本例中，是讀指令還是寫指令）；

　　1.2.3 根據(jù)收到的的address，將對應(yīng)寄存器的的數(shù)據(jù)放入從機I2C輸出buffer；（這個步驟可以使用指針）

　　1.3 主機再次發(fā)起一次通信，讀取從機的數(shù)據(jù)；（主機發(fā)出讀操作）

　　2. 寫操作步驟：

　　2.1 主機發(fā)起通信，按約定依次寫入command、要寫入的從機寄存器地址address和要寫入的數(shù)據(jù)data；

　　2.2 從機firmware要做的處理：

　　2.2.1 分別提取command、address和data；

　　2.2.2 根據(jù)command做出判斷（本例中則判斷是寫入還是讀取）；

　　2.2.3 將data寫入與接收到的address對應(yīng)的寄存器。（這個步驟可以使用指針）。

　　4、主機發(fā)送數(shù)據(jù)流程

　　（1）主機在檢測到總線為“空閑狀態(tài)”（即 SDA、SCL 線均為高電平）時，發(fā)送一個啟動信號“S”，開始一次通信的開始

　?。?）主機接著發(fā)送一個命令字節(jié)。該字節(jié)由 7 位的外圍器件地址和 1 位讀寫控制位 R/W組成（此時 R/W=0）

　?。?）相對應(yīng)的從機收到命令字節(jié)后向主機回饋應(yīng)答信號 ACK（ACK=0）

　?。?）主機收到從機的應(yīng)答信號后開始發(fā)送第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)

　?。?）從機收到數(shù)據(jù)后返回一個應(yīng)答信號 ACK

　?。?）主機收到應(yīng)答信號后再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)字節(jié)

　?。?）當主機發(fā)送最后一個數(shù)據(jù)字節(jié)并收到從機的 ACK 后，通過向從機發(fā)送一個停止信號P結(jié)束本次通信并釋放總線。從機收到P信號后也退出與主機之間的通信

　　注意：①主機通過發(fā)送地址碼與對應(yīng)的從機建立了通信關(guān)系，而掛接在總線上的其它從機雖然同時也收到了地址碼，但因為與其自身的地址不相符合，因此提前退出與主機的通信；②主機的一次發(fā)送通信，其發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)量不受限制。主機是通過 P 信號通知發(fā)送的結(jié)束，從機收到 P 信號后退出本次通信；③主機的每一次發(fā)送后都是通過從機的 ACK 信號了解從機的接收狀況，如果應(yīng)答錯誤則重發(fā)。

　　5、主機接收數(shù)據(jù)流程

　?。?）主機發(fā)送啟動信號后，接著發(fā)送命令字節(jié)（其中 R/W=1）

　　（2）對應(yīng)的從機收到地址字節(jié)后，返回一個應(yīng)答信號并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)

　?。?）主機收到數(shù)據(jù)后向從機反饋一個應(yīng)答信號

　?。?）從機收到應(yīng)答信號后再向主機發(fā)送下一個數(shù)據(jù)

　?。?）當主機完成接收數(shù)據(jù)后，向從機發(fā)送一個“非應(yīng)答信號（ACK=1）”，從機收到ASK=1 的非應(yīng)答信號后便停止發(fā)送

　?。?）主機發(fā)送非應(yīng)答信號后，再發(fā)送一個停止信號，釋放總線結(jié)束通信

　　注意：主機所接收數(shù)據(jù)的數(shù)量是由主機自身決定，當發(fā)送“非應(yīng)答信號/A”時從機便結(jié)束傳送并釋放總線（非應(yīng)答信號的兩個作用：前一個數(shù)據(jù)接收成功，停止從機的再次發(fā)送）。

　　6、總線死鎖原因分析

　　I2C總線寫操作過程中，主機在產(chǎn)生啟動信號后控制SCL產(chǎn)生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個時候，從機輸出應(yīng)答信號，將SDA信號拉為低電平。如果這個時候主機異常復(fù)位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從機沒有復(fù)位，就會繼續(xù)I2C的應(yīng)答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖?，才會結(jié)束應(yīng)答信號。而對于主機來說，復(fù)位后檢測SCL和SDA信號，如果發(fā)現(xiàn)SDA信號為低電平，則會認為I2C總線被占用，會一直等待SCL和SDA信號變?yōu)楦唠娖?。這樣，主機等待從機釋放SDA信號，而同時從機又在等待主機將SCL信號拉低以釋放應(yīng)答信號，兩者相互等待，I2C總線進人一種死鎖狀態(tài)。同樣，當I2C進行讀操作時，從機應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)，如果在這個時刻主機異常復(fù)位而此時從機輸出的數(shù)據(jù)位正好為0，也會導(dǎo)致I2C總線進入死鎖狀態(tài)。

　　解決方案通常有如下幾種：

　?。?）將從機的電源設(shè)計為可控，當發(fā)生總線死鎖的時將從機復(fù)位

　?。?）可以在從機的程序中加入監(jiān)測功能，如果總線長時間被拉低則釋放對總線的控制

　?。?）在主機中增加I2C總線恢復(fù)程序。每次主機復(fù)位后，如果檢測到SDA被拉低，則控制SCL產(chǎn)生《=9個時鐘脈沖（針對8位數(shù)據(jù)的情況），每發(fā)送一個時鐘脈沖就檢測SDA是否被釋放，如果SDA已經(jīng)被釋放就再模擬產(chǎn)生一個停止信號，這樣從機就可以完成被掛起的讀寫操作，從死鎖狀態(tài)中恢復(fù)過來。這種方法有一定的局限性，因為大部分主機的I2C模塊由內(nèi)置的硬件電路來實現(xiàn)，軟件并不能夠直接控制SCL信號模擬產(chǎn)生需要時鐘脈沖。

　　掛在I2C總線上的EEPROM設(shè)備

　　EEPROM稱為電擦除式只讀存儲器，一般容量很小、用于保存產(chǎn)品的固化參數(shù)，此次跟我狹路相逢的是一款來自ATMEL公司的AT24C512B，總?cè)萘繛?4K，支持以頁的方式寫入數(shù)據(jù)，頁大小128字節(jié)，以下是這款設(shè)備的相關(guān)信息和操作方法（其他型號類同）：

　　硬件連接。在AT24C512B硬件連接中，跟軟件編程相關(guān)的引腳有三個，除了連接在I2C總線上的時鐘線（SCL）、數(shù)據(jù)線（SDA）引腳之外，還有一個寫保護引腳（WP）連接在GPIO上。

　　尋址方式。EEPROM可以讓你精確地訪問到每一字節(jié)，AT24C512B采用16位的尋址方式共計可以訪問65536字節(jié)的地址空間。

　　讀寫時序。AT24C512B支持的寫操作有單字節(jié)寫入、按頁寫入，支持的讀操作有隨機單字節(jié)或連接讀取、當前位置單字節(jié)或連續(xù)讀取，EEPROM一般在電路中做從設(shè)備，我此次面對的也是，以下是主設(shè)備對EEPROM進行各種操作的操作方法：

　　單字節(jié)寫入：START -》 發(fā)送從設(shè)備地址（寫控制碼） -》 處理Ack -》 發(fā)送字節(jié)地址 -》 處理Ack ［-》 發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù) -》 處理Ack］ -》 STOP。

　　按頁寫入：將單字節(jié)寫入的［ ］中的操作重復(fù)進行128次即可實現(xiàn)。

　　隨機單字節(jié)讀?。篠TART -》 發(fā)送從設(shè)備地址（寫控制碼） -》 處理Ack -》 發(fā)送字節(jié)地址 -》 處理Ack -》 START -》 發(fā)送器件地址（讀控制碼） -》 處理Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù) -》 STOP。

　　隨機連續(xù)讀?。涸陔S機單字節(jié)讀取操作的STOP信號發(fā)送之前，加入若干個 ［-》 發(fā)送Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù)］ 即可實現(xiàn)。

　　當前位置單字節(jié)讀?。篠TART -》 發(fā)送從設(shè)備地址（讀控制碼） -》 處理Ack -》 發(fā)送字節(jié)地址 -》 處理Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù) -》 STOP。當前指的是之前進行過讀取操作但是沒有發(fā)送STOP信號，EEPROM芯片內(nèi)部指針所在的位置即為當前位置。

　　當前位置連續(xù)讀?。涸诋斍拔恢脝喂?jié)讀取操作的STOP信號發(fā)送之前，加入若干個 ［-》 發(fā)送Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù)］ 即可實現(xiàn)。

　　關(guān)于EEPROM的按頁寫入。為提高數(shù)據(jù)寫入效率，有的EEPROM設(shè)備用一個內(nèi)部的RAM來提供按頁寫入的功能，進行寫操作的時候，先記錄下要寫入的首地址，然后將接收到的數(shù)據(jù)都緩存在RAM中，在接收到STOP信號時再把緩存數(shù)據(jù)一次性保存到先前記錄的地址處。

　　有兩個需要注意的問題：（a）、如果寫入的數(shù)據(jù)超過一頁的長度，將發(fā)生回卷，即從RAM的0地址處進行數(shù)據(jù)覆蓋。（b）、如果頁大小為128字節(jié)，即0-127字節(jié)為第一頁、128-255為第二頁，即頁的邊界位置是絕對的，而不是從寫入數(shù)據(jù)的起始位置開始計算。

　　在進行數(shù)據(jù)讀取操作沒有頁的問題，可以從任意位置開始讀取任意大小的數(shù)據(jù)，超過EEPROM總?cè)萘繒r發(fā)生回卷。