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備。

　　I2C總線最主要的優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量，降低了互聯成本。總線的長度可高達25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優點是，它支持多主控（multimastering）， 其中任何能夠進行發送和接收的設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備、外圍設備和其它外圍設備的通信，根據自己的需要來設計通訊方式。

　　相比較SPI而言，I2C需要更少的接線，僅由數據線SDA和時鐘SCL構成 。而SPI則需要四根引線，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCLK（時鐘），CS（片選）。但是常常因為I2C的通訊協議較為復雜，不容易在程序中實現而導致數據丟失、無應答、“死等”等問題。

　　I2C通信、讀寫數據過程

　　在通信之初，主從機必須根據自己的要求約定好通信規則：command的定義和位置、address的位數和位置。

　　以讀寫從機寄存器數據為例：

　　假設從機寄存器地址為8位、從機寄存器也位8位（被讀取數據為8位）；

　　約定讀command為0x01，寫command位0x02；

　　約定主機發起通信后，第一個slave address字節收到ack后，緊跟的一個字節為command，再下面一個字節為address。

　　1. 讀寄存器數據步驟：

　　1.1 主機先發起一次通信，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 根據收到的的address，將對應寄存器的的數據放入從機I2C輸出buffer；（這個步驟可以使用指針）

　　1.3 主機再次發起一次通信，讀取從機的數據；（主機發出讀操作）

　　2. 寫操作步驟：

　　2.1 主機發起通信，按約定依次寫入command、要寫入的從機寄存器地址address和要寫入的數據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對應的寄存器。（這個步驟可以使用指針）。

　　4、主機發送數據流程

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

　　（2）主機接著發送一個命令字節。該字節由 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）

　　（3）相對應的從機收到命令字節后向主機回饋應答信號 ACK（ACK=0）

　　（4）主機收到從機的應答信號后開始發送第一個字節的數據

　　（5）從機收到數據后返回一個應答信號 ACK

　　（6）主機收到應答信號后再發送下一個數據字節

　　（7）當主機發送最后一個數據字節并收到從機的 ACK 后，通過向從機發送一個停止信號P結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主機通過發送地址碼與對應的從機建立了通信關系，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主機的一次發送通信，其發送的數據數量不受限制。主機是通過 P 信號通知發送的結束，從機收到 P 信號后退出本次通信；③主機的每一次發送后都是通過從機的 ACK 信號了解從機的接收狀況，如果應答錯誤則重發。

　　5、主機接收數據流程

　　（1）主機發送啟動信號后，接著發送命令字節（其中 R/W=1）

　　（2）對應的從機收到地址字節后，返回一個應答信號并向主機發送數據

　　（3）主機收到數據后向從機反饋一個應答信號

　　（4）從機收到應答信號后再向主機發送下一個數據

　　（5）當主機完成接收數據后，向從機發送一個“非應答信號（ACK=1）”，從機收到ASK=1 的非應答信號后便停止發送

　　（6）主機發送非應答信號后，再發送一個停止信號，釋放總線結束通信

　　注意：主機所接收數據的數量是由主機自身決定，當發送“非應答信號/A”時從機便結束傳送并釋放總線（非應答信號的兩個作用：前一個數據接收成功，停止從機的再次發送）。

　　6、總線死鎖原因分析

　　I2C總線寫操作過程中，主機在產生啟動信號后控制SCL產生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號為低電平，在這個時候，從機輸出應答信號，將SDA信號拉為低電平。如果這個時候主機異常復位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從機沒有復位，就會繼續I2C的應答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變為低電平，才會結束應答信號。而對于主機來說，復位后檢測SCL和SDA信號，如果發現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信號變為高電平。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信號拉低以釋放應答信號，兩者相互等待，I2C總線進人一種死鎖狀態。同樣，當I2C進行讀操作時，從機應答后輸出數據，如果在這個時刻主機異常復位而此時從機輸出的數據位正好為0，也會導致I2C總線進入死鎖狀態。

　　解決方案通常有如下幾種：

　　（1）將從機的電源設計為可控，當發生總線死鎖的時將從機復位

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

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

　　掛在I2C總線上的EEPROM設備

　　EEPROM稱為電擦除式只讀存儲器，一般容量很小、用于保存產品的固化參數，此次跟我狹路相逢的是一款來自ATMEL公司的AT24C512B，總容量為64K，支持以頁的方式寫入數據，頁大小128字節，以下是這款設備的相關信息和操作方法（其他型號類同）：

　　硬件連接。在AT24C512B硬件連接中，跟軟件編程相關的引腳有三個，除了連接在I2C總線上的時鐘線（SCL）、數據線（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，AT24C512B采用16位的尋址方式共計可以訪問65536字節的地址空間。

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

　　單字節寫入：START -》 發送從設備地址（寫控制碼） -》 處理Ack -》 發送字節地址 -》 處理Ack ［-》 發送1字節數據 -》 處理Ack］ -》 STOP。

　　按頁寫入：將單字節寫入的［ ］中的操作重復進行128次即可實現。

　　隨機單字節讀取：START -》 發送從設備地址（寫控制碼） -》 處理Ack -》 發送字節地址 -》 處理Ack -》 START -》 發送器件地址（讀控制碼） -》 處理Ack -》 接收1字節數據 -》 STOP。

　　隨機連續讀取：在隨機單字節讀取操作的STOP信號發送之前，加入若干個 ［-》 發送Ack -》 接收1字節數據］ 即可實現。

　　當前位置單字節讀取：START -》 發送從設備地址（讀控制碼） -》 處理Ack -》 發送字節地址 -》 處理Ack -》 接收1字節數據 -》 STOP。當前指的是之前進行過讀取操作但是沒有發送STOP信號，EEPROM芯片內部指針所在的位置即為當前位置。

　　當前位置連續讀取：在當前位置單節讀取操作的STOP信號發送之前，加入若干個 ［-》 發送Ack -》 接收1字節數據］ 即可實現。

　　關于EEPROM的按頁寫入。為提高數據寫入效率，有的EEPROM設備用一個內部的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，然后將接收到的數據都緩存在RAM中，在接收到STOP信號時再把緩存數據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）、如果寫入的數據超過一頁的長度，將發生回卷，即從RAM的0地址處進行數據覆蓋。（b）、如果頁大小為128字節，即0-127字節為第一頁、128-255為第二頁，即頁的邊界位置是絕對的，而不是從寫入數據的起始位置開始計算。

　　在進行數據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據，超過EEPROM總容量時發生回卷。