I2C总线学习笔记

有关I2C的测试平台的代码可以参考我的https://blog.csdn.net/Real003/article/details/88920736（eeprom–24LC64）中有仿真代码。

I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号：开始信号、结束信号和应答信号
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示START。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，表示STOP。
应答信号：接收数据的Slave在接收到8bit数据后，向发送数据的Master发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

I2C总线支持三种数据传输速度：标准，快速模式和高速模式。

 标准模式是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。

I2C 总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多个器件，并且通过两根线连接，占用空间小。I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。
I2C总线死锁有关问题也需要注意，在这篇文章中有提到：https://blog.csdn.net/fengel_cs/article/details/50563291（I2C死锁原因及解决方法）
在正常情况下，I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是，当I2C主设备异常复位时(看门狗动作，板上电源异常导致复位芯片动作，手动按钮复位等等)有可能导致I2C总线死锁产生。
在I2C主设备进行读写操作的过程中.主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲，然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说.复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种死锁状态。同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

SCL为高，SDA一直为低原因

从：正常时序下：SDA信号是在SCL为低的状态下改变，即从应答SDA为低电平时，此时SCL应为为低电平(即从设备是先拉低SDA信号，等待主设备SCL由高变低，“取走”ACK信号后，从再释放SDA为高）。但如果此时时序被打乱，例如单片机i2c通信时突然复位，SCL突然变高，则从设备SDA一直为低，等待SCL变低。

主：SDA被从拉低，故主认为i2c总线占用，一直等待SDA变高

I2C死锁解决方法

最好用模拟I2C实现，则不会死锁
(1) 尽量选用带复位输人的I2C从器件。
(2) 将所有的从I2C设备的电源连接在一起，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。
(3) 在I2C从设备设计看门狗的功能。
(4) 在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序。每次I2C主设备复位后，如果检测到SDA数据线被拉低，则控制I2C中的SCL时钟线产生9个时钟脉冲(针对8位数据的情况)，这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作，从死锁状态中恢复过来。这种方法有很大的局限性，因为大部分主设备的I2C模块由内置的硬件电路来实现，软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲。
(5) 在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟脉冲，使 I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。
(6) 在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器，如Linear公司的LTC4307如图2所示:LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器，并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输人侧连接主设备，总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时，就自动断开I2C总线输人侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后，LTC4307会再
次连接输人输出侧，使总线能够正常工作。

I2C位传输数据传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据；
若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束
数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit
I2C开始和结束信号
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
I2C应答信号
Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程
I2C写流程
写寄存器的标准流程为：
（1. Master发起START
（2. Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
（3. Slave发送ACK
（4. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
（5. Slave发送ACK(第4步和第5步可以重复多次，顺序写多个寄存器地址)
（6. Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
（7. Slave发送ACK
（8. 第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器数据
（9. Master发起STOP
I2C读流程

读寄存器的标准流程为：
(1. Master发送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
(2. Slave发送ACK
(3. Master发送reg addr（8bit），等待ACK
(4. Slave发送ACK
(5. Master发起START
(6. Master发送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
(7. Slave发送ACK
(8. Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
(9. Master发送ACK
(10. 第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器
在这里插入图片描述

参考文档：https://blog.csdn.net/chenze2017/article/details/65938194（I2C总线协议及应用）

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