技術(shù) | I2C 子系統(tǒng)（四）

4、I2C Synchronization And Arbitration

本文講解三個(gè)重要的 I2C 概念：時(shí)鐘延展、同步、仲裁

Data and ACK/NACK

正常情況

主接收機(jī)必須向從機(jī)發(fā)送傳輸結(jié)束的信號(hào)。

異常情況

1. 發(fā)送到總線上的地址，卻沒有匹配的從機(jī)從機(jī)處于 busy 狀態(tài)。在傳輸過程中，從機(jī)獲取其不理解的數(shù)據(jù)或命令。在傳輸過程中，從機(jī)無法再接收任何數(shù)據(jù)字節(jié)。

主機(jī)可以生成停止條件以中止傳輸，或生成重復(fù)啟動(dòng)條件以啟動(dòng)新傳輸。

Clock stretching 時(shí)鐘延展

1. 時(shí)鐘延展：通過將 SCL 線保持在低電平來暫停傳輸。在 SCL 再次拉高之前，傳輸無法進(jìn)行。從機(jī)通過將 SCL 線拉低，強(qiáng)制主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。時(shí)鐘延展功能是可選的，不是必選的時(shí)鐘延展導(dǎo)致需要更多時(shí)間來存儲(chǔ)接收到的字節(jié)或準(zhǔn)備另一個(gè)要傳輸?shù)淖止?jié)通過延長每個(gè)時(shí)鐘低電平周期來降低總線時(shí)鐘。任何主機(jī)的速度都與該設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行速度相適應(yīng)。在 Hs 模式下，此握手功能只能在字節(jié)級(jí)別使用

I2C 主設(shè)備始終控制著時(shí)鐘線 SCL，不論是往設(shè)備寫還是從設(shè)備讀。一般情況下，如果操作對(duì)象是 EEPROM 或者其他簡單設(shè)備而言，無所謂，但是，如果從設(shè)備是處理器，在接到主機(jī)命令后要去處理一些運(yùn)算然后得出結(jié)果返回給主機(jī)。這個(gè)時(shí)候可能造成來不及處理。怎么辦？這時(shí)，從設(shè)備會(huì)主動(dòng)控制時(shí)鐘線把它拉低！直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后再釋放時(shí)鐘線，把控制權(quán)交還給 MASTER。這也是 I2C 通信系統(tǒng)中，從機(jī)唯一能控制總線的時(shí)候！

關(guān)鍵是很多 I2C 主機(jī)不支持 clock stretching 功能，所以，無法和帶有 clock stretching 功能的從機(jī)通信！所以，各位在選擇主機(jī)器件之前，必須要注意這一點(diǎn)，不然整個(gè)設(shè)計(jì)方案可能報(bào)廢，影響很大。

Synchronization And Arbitration

在多主的通信系統(tǒng)中?？偩€上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，它們都有自己的尋址地址，可以作為從節(jié)點(diǎn)被別的節(jié)點(diǎn)訪問，同時(shí)它們都可以作為主節(jié)點(diǎn)向其他的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制字節(jié)和傳送數(shù)據(jù)。

但是如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)都向總線上發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)并開始傳送數(shù)據(jù)，這樣就形成了沖突。要解決這種沖突，就要進(jìn)行仲裁的判決，這就是 I2C 總線上的仲裁。

I2C 總線上的仲裁分兩部分：SCL 線的同步和 SDA 線的仲裁，這兩部分沒有先后關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行。

SCL Synchronization

SCL 同步是由于總線具有線“與”的邏輯功能，即只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送低電平時(shí)，總線上就表現(xiàn)為低電平。當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都發(fā)送高電平時(shí)，總線才能表現(xiàn)為高電平。正是由于線“與”邏輯功能的原理，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，在總線上表現(xiàn)的是統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。這就是 SCL 的同步原理。

同步過程如下圖：

SDA Arbitration

SDA線的仲裁也是建立在總線具有線“與”邏輯功能的原理上的。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的是否一致。是，繼續(xù)發(fā)送；否則，退出競爭。

SDA 線的仲裁可以保證 I2C 總線系統(tǒng)在多個(gè)主節(jié)點(diǎn)同時(shí)企圖控制總線時(shí)通信正常進(jìn)行并且數(shù)據(jù)不丟失?？偩€系統(tǒng)通過仲裁只允許一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)占據(jù)總線。

1. 仲裁在 SDA 上進(jìn)行，此時(shí) SCL 為高電平。A 主機(jī)傳輸高電平,B 主機(jī)傳輸?shù)碗娖?，A 失去仲裁。丟失仲裁的主機(jī)將生成時(shí)鐘脈沖，直到丟失仲裁的字節(jié)結(jié)束。

仲裁過程：

DATA1 和 DATA2 分別是主節(jié)點(diǎn)向總線所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)，SDA 為總線上所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號(hào)，SCL 是總線上所呈現(xiàn)的時(shí)鐘信號(hào)。

當(dāng)主節(jié)點(diǎn) 1、2 同時(shí)發(fā)送起始信號(hào)時(shí)，兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送了高電平信號(hào)。這時(shí)總線上呈現(xiàn)的信號(hào)為高電平，兩個(gè)主節(jié)點(diǎn)都檢測到總線上的信號(hào)與自己發(fā)送的信號(hào)相同，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

第2個(gè)時(shí)鐘周期，2個(gè)主節(jié)點(diǎn)都發(fā)送低電平信號(hào)，在總線上呈現(xiàn)的信號(hào)為低電平，仍繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在第3個(gè)時(shí)鐘周期，主節(jié)點(diǎn)1發(fā)送高電平信號(hào)，而主節(jié)點(diǎn)2發(fā)送低電平信號(hào)。根據(jù)總線的線“與”的邏輯功能，總線上的信號(hào)為低電平，這時(shí)主節(jié)點(diǎn)1檢測到總線上的數(shù)據(jù)和自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)不一樣，就斷開數(shù)據(jù)的輸出級(jí)，轉(zhuǎn)為從機(jī)接收狀態(tài)。這樣主節(jié)點(diǎn)2就贏得了總線，而且數(shù)據(jù)沒有丟失，即總線的數(shù)據(jù)與主節(jié)點(diǎn)2所發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣，而主節(jié)點(diǎn)1在轉(zhuǎn)為從節(jié)點(diǎn)后繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，同樣也沒有丟掉 SDA 線上的數(shù)據(jù)。因此在仲裁過程中數(shù)據(jù)沒有丟失。

再次提醒：SDA仲裁和SCL時(shí)鐘同步處理過程沒有先后關(guān)系，而是同時(shí)進(jìn)行的。