I2C總線簡(jiǎn)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(diǎn)是其簡(jiǎn)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(zhǎng)度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。

　　單片機(jī)的通訊模塊常用的有UART、SPI、I2C、CAN等等，當(dāng)然還有無(wú)線模塊這里不討論。UART大多用于單片機(jī)與PC的通信，CAN總線常用于單片機(jī)與單片機(jī)通信，而SPI和I2C則用于單片機(jī)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(lái)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)鐘），CS（片選）。但是常常因?yàn)镮2C的通訊協(xié)議較為復(fù)雜，不容易在程序中實(shí)現(xiàn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、無(wú)應(yīng)答、“死等”等問(wèn)題。

　　I2C通信、讀寫數(shù)據(jù)過(guò)程

　　在通信之初，主從機(jī)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(jī)寄存器數(shù)據(jù)為例：

　　假設(shè)從機(jī)寄存器地址為8位、從機(jī)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(jī)發(fā)起通信后，第一個(gè)slave address字節(jié)收到ack后，緊跟的一個(gè)字節(jié)為command，再下面一個(gè)字節(jié)為address。

　　1. 讀寄存器數(shù)據(jù)步驟：

　　1.1 主機(jī)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(jī)；（主機(jī)發(fā)出寫操作）

　　1.2 從機(jī)firmware的處理：

　　1.2.1 將command和address分別提取出來(lái)；

　　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(duì)應(yīng)寄存器的的數(shù)據(jù)放入從機(jī)I2C輸出buffer；（這個(gè)步驟可以使用指針）

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

　　2. 寫操作步驟：

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

　　2.2 從機(jī)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?。?；

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

　　4、主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程

　?。?）主機(jī)在檢測(cè)到總線為“空閑狀態(tài)”（即 SDA、SCL 線均為高電平）時(shí)，發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)“S”，開(kāi)始一次通信的開(kāi)始

　?。?）主機(jī)接著發(fā)送一個(gè)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(shí) R/W=0）

　?。?）相對(duì)應(yīng)的從機(jī)收到命令字節(jié)后向主機(jī)回饋應(yīng)答信號(hào) ACK（ACK=0）

　?。?）主機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)后開(kāi)始發(fā)送第一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

　?。?）從機(jī)收到數(shù)據(jù)后返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào) ACK

　　（6）主機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)

　?。?）當(dāng)主機(jī)發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)并收到從機(jī)的 ACK 后，通過(guò)向從機(jī)發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P結(jié)束本次通信并釋放總線。從機(jī)收到P信號(hào)后也退出與主機(jī)之間的通信

　　注意：①主機(jī)通過(guò)發(fā)送地址碼與對(duì)應(yīng)的從機(jī)建立了通信關(guān)系，而掛接在總線上的其它從機(jī)雖然同時(shí)也收到了地址碼，但因?yàn)榕c其自身的地址不相符合，因此提前退出與主機(jī)的通信；②主機(jī)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(jī)是通過(guò) P 信號(hào)通知發(fā)送的結(jié)束，從機(jī)收到 P 信號(hào)后退出本次通信；③主機(jī)的每一次發(fā)送后都是通過(guò)從機(jī)的 ACK 信號(hào)了解從機(jī)的接收狀況，如果應(yīng)答錯(cuò)誤則重發(fā)。

　　5、主機(jī)接收數(shù)據(jù)流程

　?。?）主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)后，接著發(fā)送命令字節(jié)（其中 R/W=1）

　?。?）對(duì)應(yīng)的從機(jī)收到地址字節(jié)后，返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

　?。?）主機(jī)收到數(shù)據(jù)后向從機(jī)反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)

　　（4）從機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后再向主機(jī)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)

　?。?）當(dāng)主機(jī)完成接收數(shù)據(jù)后，向從機(jī)發(fā)送一個(gè)“非應(yīng)答信號(hào)（ACK=1）”，從機(jī)收到ASK=1 的非應(yīng)答信號(hào)后便停止發(fā)送

　?。?）主機(jī)發(fā)送非應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)，釋放總線結(jié)束通信

　　注意：主機(jī)所接收數(shù)據(jù)的數(shù)量是由主機(jī)自身決定，當(dāng)發(fā)送“非應(yīng)答信號(hào)/A”時(shí)從機(jī)便結(jié)束傳送并釋放總線（非應(yīng)答信號(hào)的兩個(gè)作用：前一個(gè)數(shù)據(jù)接收成功，停止從機(jī)的再次發(fā)送）。

　　6、總線死鎖原因分析

　　I2C總線寫操作過(guò)程中，主機(jī)在產(chǎn)生啟動(dòng)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，從機(jī)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)候主機(jī)異常復(fù)位，SCL就會(huì)被釋放為高電平。此時(shí)，如果從機(jī)沒(méi)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?，才?huì)結(jié)束應(yīng)答信號(hào)。而對(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)，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?。這樣，主機(jī)等待從機(jī)釋放SDA信號(hào)，而同時(shí)從機(jī)又在等待主機(jī)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)行讀操作時(shí)，從機(jī)應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)，如果在這個(gè)時(shí)刻主機(jī)異常復(fù)位而此時(shí)從機(jī)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)。

　　解決方案通常有如下幾種：

　?。?）將從機(jī)的電源設(shè)計(jì)為可控，當(dāng)發(fā)生總線死鎖的時(shí)將從機(jī)復(fù)位

　?。?）可以在從機(jī)的程序中加入監(jiān)測(cè)功能，如果總線長(zhǎng)時(shí)間被拉低則釋放對(duì)總線的控制

　　（3）在主機(jī)中增加I2C總線恢復(fù)程序。每次主機(jī)復(fù)位后，如果檢測(cè)到SDA被拉低，則控制SCL產(chǎn)生《=9個(gè)時(shí)鐘脈沖（針對(duì)8位數(shù)據(jù)的情況），每發(fā)送一個(gè)時(shí)鐘脈沖就檢測(cè)SDA是否被釋放，如果SDA已經(jīng)被釋放就再模擬產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)，這樣從機(jī)就可以完成被掛起的讀寫操作，從死鎖狀態(tài)中恢復(fù)過(guò)來(lái)。這種方法有一定的局限性，因?yàn)榇蟛糠种鳈C(jī)的I2C模塊由內(nèi)置的硬件電路來(lái)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。

　　掛在I2C總線上的EEPROM設(shè)備

　　EEPROM稱為電擦除式只讀存儲(chǔ)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(lái)自ATMEL公司的AT24C512B，總?cè)萘繛?4K，支持以頁(yè)的方式寫入數(shù)據(jù)，頁(yè)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(hào)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(gè)，除了連接在I2C總線上的時(shí)鐘線（SCL）、數(shù)據(jù)線（SDA）引腳之外，還有一個(gè)寫保護(hù)引腳（WP）連接在GPIO上。

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

　　讀寫時(shí)序。AT24C512B支持的寫操作有單字節(jié)寫入、按頁(yè)寫入，支持的讀操作有隨機(jī)單字節(jié)或連接讀取、當(dāng)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(duì)的也是，以下是主設(shè)備對(duì)EEPROM進(jìn)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(yè)寫入：將單字節(jié)寫入的［ ］中的操作重復(fù)進(jìn)行128次即可實(shí)現(xiàn)。

　　隨機(jī)單字節(jié)讀取：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 -》 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(jī)連續(xù)讀?。涸陔S機(jī)單字節(jié)讀取操作的STOP信號(hào)發(fā)送之前，加入若干個(gè) ［-》 發(fā)送Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù)］ 即可實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)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(dāng)前指的是之前進(jìn)行過(guò)讀取操作但是沒(méi)有發(fā)送STOP信號(hào)，EEPROM芯片內(nèi)部指針?biāo)诘奈恢眉礊楫?dāng)前位置。

　　當(dāng)前位置連續(xù)讀?。涸诋?dāng)前位置單節(jié)讀取操作的STOP信號(hào)發(fā)送之前，加入若干個(gè) ［-》 發(fā)送Ack -》 接收1字節(jié)數(shù)據(jù)］ 即可實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)于EEPROM的按頁(yè)寫入。為提高數(shù)據(jù)寫入效率，有的EEPROM設(shè)備用一個(gè)內(nèi)部的RAM來(lái)提供按頁(yè)寫入的功能，進(jìn)行寫操作的時(shí)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(hào)時(shí)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(gè)需要注意的問(wèn)題：（a）、如果寫入的數(shù)據(jù)超過(guò)一頁(yè)的長(zhǎng)度，將發(fā)生回卷，即從RAM的0地址處進(jìn)行數(shù)據(jù)覆蓋。（b）、如果頁(yè)大小為128字節(jié)，即0-127字節(jié)為第一頁(yè)、128-255為第二頁(yè)，即頁(yè)的邊界位置是絕對(duì)的，而不是從寫入數(shù)據(jù)的起始位置開(kāi)始計(jì)算。

　　在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作沒(méi)有頁(yè)的問(wèn)題，可以從任意位置開(kāi)始讀取任意大小的數(shù)據(jù)，超過(guò)EEPROM總?cè)萘繒r(shí)發(fā)生回卷。