i2c总线的通信过程

　　I2C总线简介

　　I2C是两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

　　I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

　　单片机的通讯模块常用的有UART、SPI、I2C、CAN等等，当然还有无线模块这里不讨论。UART大多用于单片机与PC的通信，CAN总线常用于单片机与单片机通信，而SPI和I2C则用于单片机和外围设备、外围设备和其它外围设备的通信，根据自己的需要来设计通讯方式。

　　相比较SPI而言，I2C需要更少的接线，仅由数据线SDA和时钟SCL构成 。而SPI则需要四根引线，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。但是常常因为I2C的通讯协议较为复杂，不容易在程序中实现而导致数据丢失、无应答、“死等”等问题。

　　I2C通信、读写数据过程

　　在通信之初，主从机必须根据自己的要求约定好通信规则：command的定义和位置、address的位数和位置。

　　以读写从机寄存器数据为例：

　　假设从机寄存器地址为8位、从机寄存器也位8位（被读取数据为8位）；

　　约定读command为0x01，写command位0x02；

　　约定主机发起通信后，第一个slave address字节收到ack后，紧跟的一个字节为command，再下面一个字节为address。

　　1. 读寄存器数据步骤：

　　1.1 主机先发起一次通信，将读command（0x01）和需要读取的寄存器地址address写入从机；（主机发出写操作）

　　1.2 从机firmware的处理：

　　1.2.1 将command和address分别提取出来；

　　1.2.2 判断command的含义（本例中，是读指令还是写指令）；

　　1.2.3 根据收到的的address，将对应寄存器的的数据放入从机I2C输出buffer；（这个步骤可以使用指针）

　　1.3 主机再次发起一次通信，读取从机的数据；（主机发出读操作）

　　

　　

　　2. 写操作步骤：

　　2.1 主机发起通信，按约定依次写入command、要写入的从机寄存器地址address和要写入的数据data；

　　2.2 从机firmware要做的处理：

　　2.2.1 分别提取command、address和data；

　　2.2.2 根据command做出判断（本例中则判断是写入还是读取）；

　　2.2.3 将data写入与接收到的address对应的寄存器。（这个步骤可以使用指针）。

　　

　　4、主机发送数据流程

　　（1）主机在检测到总线为“空闲状态”（即 SDA、SCL 线均为高电平）时，发送一个启动信号“S”，开始一次通信的开始

　　（2）主机接着发送一个命令字节。该字节由 7 位的外围器件地址和 1 位读写控制位 R/W组成（此时 R/W=0）

　　（3）相对应的从机收到命令字节后向主机回馈应答信号 ACK（ACK=0）

　　（4）主机收到从机的应答信号后开始发送第一个字节的数据

　　（5）从机收到数据后返回一个应答信号 ACK

　　（6）主机收到应答信号后再发送下一个数据字节

　　（7）当主机发送最后一个数据字节并收到从机的 ACK 后，通过向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线。从机收到P信号后也退出与主机之间的通信

　　

　　注意：①主机通过发送地址码与对应的从机建立了通信关系，而挂接在总线上的其它从机虽然同时也收到了地址码，但因为与其自身的地址不相符合，因此提前退出与主机的通信；②主机的一次发送通信，其发送的数据数量不受限制。主机是通过 P 信号通知发送的结束，从机收到 P 信号后退出本次通信；③主机的每一次发送后都是通过从机的 ACK 信号了解从机的接收状况，如果应答错误则重发。

　　5、主机接收数据流程

　　（1）主机发送启动信号后，接着发送命令字节（其中 R/W=1）

　　（2）对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据

　　（3）主机收到数据后向从机反馈一个应答信号

　　（4）从机收到应答信号后再向主机发送下一个数据

　　（5）当主机完成接收数据后，向从机发送一个“非应答信号（ACK=1）”，从机收到ASK=1 的非应答信号后便停止发送

　　（6）主机发送非应答信号后，再发送一个停止信号，释放总线结束通信

　　

　　注意：主机所接收数据的数量是由主机自身决定，当发送“非应答信号/A”时从机便结束传送并释放总线（非应答信号的两个作用：前一个数据接收成功，停止从机的再次发送）。

　　6、总线死锁原因分析

　　I2C总线写操作过程中，主机在产生启动信号后控制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，从机输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主机异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从机没有复位，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。而对于主机来说，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，主机等待从机释放SDA信号，而同时从机又在等待主机将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进行读操作时，从机应答后输出数据，如果在这个时刻主机异常复位而此时从机输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

　　解决方案通常有如下几种：

　　（1）将从机的电源设计为可控，当发生总线死锁的时将从机复位

　　（2）可以在从机的程序中加入监测功能，如果总线长时间被拉低则释放对总线的控制

　　（3）在主机中增加I2C总线恢复程序。每次主机复位后，如果检测到SDA被拉低，则控制SCL产生《=9个时钟脉冲（针对8位数据的情况），每发送一个时钟脉冲就检测SDA是否被释放，如果SDA已经被释放就再模拟产生一个停止信号，这样从机就可以完成被挂起的读写操作，从死锁状态中恢复过来。这种方法有一定的局限性，因为大部分主机的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。

　　挂在I2C总线上的EEPROM设备

　　EEPROM称为电擦除式只读存储器，一般容量很小、用于保存产品的固化参数，此次跟我狭路相逢的是一款来自ATMEL公司的AT24C512B，总容量为64K，支持以页的方式写入数据，页大小128字节，以下是这款设备的相关信息和操作方法（其他型号类同）：

　　硬件连接。在AT24C512B硬件连接中，跟软件编程相关的引脚有三个，除了连接在I2C总线上的时钟线（SCL）、数据线（SDA）引脚之外，还有一个写保护引脚（WP）连接在GPIO上。

　　寻址方式。EEPROM可以让你精确地访问到每一字节，AT24C512B采用16位的寻址方式共计可以访问65536字节的地址空间。

　　读写时序。AT24C512B支持的写操作有单字节写入、按页写入，支持的读操作有随机单字节或连接读取、当前位置单字节或连续读取，EEPROM一般在电路中做从设备，我此次面对的也是，以下是主设备对EEPROM进行各种操作的操作方法：

　　单字节写入：START -》 发送从设备地址（写控制码） -》 处理Ack -》 发送字节地址 -》 处理Ack ［-》 发送1字节数据 -》 处理Ack］ -》 STOP。

　　按页写入：将单字节写入的［ ］中的操作重复进行128次即可实现。

　　随机单字节读取：START -》 发送从设备地址（写控制码） -》 处理Ack -》 发送字节地址 -》 处理Ack -》 START -》 发送器件地址（读控制码） -》 处理Ack -》 接收1字节数据 -》 STOP。

　　随机连续读取：在随机单字节读取操作的STOP信号发送之前，加入若干个 ［-》 发送Ack -》 接收1字节数据］ 即可实现。

　　当前位置单字节读取：START -》 发送从设备地址（读控制码） -》 处理Ack -》 发送字节地址 -》 处理Ack -》 接收1字节数据 -》 STOP。当前指的是之前进行过读取操作但是没有发送STOP信号，EEPROM芯片内部指针所在的位置即为当前位置。

　　当前位置连续读取：在当前位置单节读取操作的STOP信号发送之前，加入若干个 ［-》 发送Ack -》 接收1字节数据］ 即可实现。

　　关于EEPROM的按页写入。为提高数据写入效率，有的EEPROM设备用一个内部的RAM来提供按页写入的功能，进行写操作的时候，先记录下要写入的首地址，然后将接收到的数据都缓存在RAM中，在接收到STOP信号时再把缓存数据一次性保存到先前记录的地址处。

　　有两个需要注意的问题：（a）、如果写入的数据超过一页的长度，将发生回卷，即从RAM的0地址处进行数据覆盖。（b）、如果页大小为128字节，即0-127字节为第一页、128-255为第二页，即页的边界位置是绝对的，而不是从写入数据的起始位置开始计算。

　　在进行数据读取操作没有页的问题，可以从任意位置开始读取任意大小的数据，超过EEPROM总容量时发生回卷。