I2C總線信號(hào)時(shí)序分析

主控器向被控器發(fā)送的信息種類有：?jiǎn)?dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、7位地址碼、讀／寫控制位、10位地址碼、數(shù)據(jù)字節(jié)、重啟動(dòng)信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、時(shí)鐘脈沖。

被控器向主控器發(fā)送的信息種類有：應(yīng)答信號(hào)、數(shù)據(jù)字節(jié)、時(shí)鐘低電平。

下面對(duì)I2C總線通信過(guò)程中出現(xiàn)的幾種信號(hào)狀態(tài)和時(shí)序進(jìn)行分析。

①總線空閑狀態(tài)。

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

②啟動(dòng)信號(hào)。

在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的啟動(dòng)信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。

啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)是由主控器主動(dòng)建立的，在建立該信號(hào)之前I2C總線必須處于空閑狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 I2C總線上的啟動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào) 　　

③停止信號(hào)。

在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。

停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)，停止信號(hào)也是由主控器主動(dòng)建立的，建立該信號(hào)之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。

④數(shù)據(jù)位傳送。

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。

進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。

只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當(dāng)使用獨(dú)立電源時(shí)），如圖2所示。

　　圖2 I2C總線上的數(shù)據(jù)位傳送 　　

⑤應(yīng)答信號(hào)。

　　I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。

　　應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒(méi)有成功。

　　對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。

　　如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P，如圖3所示。

　　圖3 I2C總線上的應(yīng)答時(shí)序 　　

⑥插入等待時(shí)間。

如果被控器需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳送的時(shí)間，則可以通過(guò)把時(shí)鐘線SCL電平拉低并且保持，使主控器進(jìn)入等待狀態(tài)。

一旦被控器釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸就得以繼續(xù)下去，這樣就使得被控器得到足夠時(shí)間轉(zhuǎn)移已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，或者準(zhǔn)備好即將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。

帶有CPU的被控器在對(duì)收到的地址字節(jié)做出應(yīng)答之后，需要一定的時(shí)間去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，來(lái)分析或比較地址碼，其間就把SCL線鉗位在低電平上，直到處理妥當(dāng)后才釋放SCL線，進(jìn)而使主控器繼續(xù)后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送，如圖4所示。

圖4 I2C總線上的插入等待時(shí)間 　　

⑦重啟動(dòng)信號(hào)。

在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動(dòng)Sr信號(hào)時(shí)序。

重啟動(dòng)信號(hào)Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會(huì)丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點(diǎn)搶占總線。

⑧時(shí)鐘同步。

如果在某一I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1和主器件2，其時(shí)鐘輸出端分別為CLK1和CL【0，它們都有控制總線的能力。

假設(shè)在某一期間兩者相繼向SCL線發(fā)出了波形不同的時(shí)鐘脈沖序列CLK1和CLK2（時(shí)鐘脈沖的高、低電平寬度都是依靠各自內(nèi)部專用計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)生的），在總線控制權(quán)還沒(méi)有裁定之前這種現(xiàn)象是可能出現(xiàn)的。

鑒于I2C總線的“線與”特性，使得時(shí)鐘線SCL上得到的時(shí)鐘信號(hào)波形，既不像主器件1所期望的CLK1，也不像主器件2所期望的CLK2，而是兩者進(jìn)行邏輯與的結(jié)果。

CLKI和CLK2的合成波形作為共同的同步時(shí)鐘信號(hào)，一旦總線控制權(quán)裁定給某一主器件，則總線時(shí)鐘信號(hào)將會(huì)只由該主器件產(chǎn)生，如圖5所示。

圖5 I2C總線上的時(shí)鐘同步 　　

⑨總線沖突和總線仲裁。

假如在某I2C總線系統(tǒng)中存在兩個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)，分別記為主器件1和主器件2，其數(shù)據(jù)輸出端分別為DATA1和DATA2，它們都有控制總線的能力，這就存在著發(fā)生總線沖突（即寫沖突）的可能性。

假設(shè)在某一瞬間兩者相繼向總線發(fā)出了啟動(dòng)信號(hào)，鑒于：I2C總線的“線與”特性，使得在數(shù)據(jù)線SDA上得到的信號(hào)波形是DATA1和DATA2兩者相與的結(jié)果，該結(jié)果略微超前送出低電平的主器件1，其DATA1的下降沿被當(dāng)做SDA的下降沿。

在總線被啟動(dòng)后，主器件1企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“101……”，主器件2企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“100101……”。

兩個(gè)主器件在每次發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)位的同時(shí)都要對(duì)自己輸出端的信號(hào)電平進(jìn)行抽檢，只要抽檢的結(jié)果與它們自己預(yù)期的電平相符，就會(huì)繼續(xù)占用總線，總線控制權(quán)也就得不到裁定結(jié)果。

主器件1的第3位期望發(fā)送“1”，也就是在第3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)送出高電平。

在該時(shí)鐘周期的高電平期間，主器件1進(jìn)行例行抽檢時(shí)，結(jié)果檢測(cè)到一個(gè)不相匹配的電平“0”，這時(shí)主器件1只好決定放棄總線控制杈；因此，主器件2就成了總線的惟一主宰者，總線控制權(quán)也就最終得出了裁定結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了總線仲裁的功能。

從以上總線仲裁的完成過(guò)程可以得出：仲裁過(guò)程主器件1和主器件2都不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；各個(gè)主器件沒(méi)有優(yōu)先級(jí)別之分，總線控制權(quán)是隨機(jī)裁定的，即使是搶先發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)的主器件1最終也并沒(méi)有得到控制杈。

系統(tǒng)實(shí)際上遵循的是“低電平優(yōu)先”的仲裁原則，將總線判給在數(shù)據(jù)線上先發(fā)送低電平的主器件，而其他發(fā)送高電平的主器件將失去總線控制權(quán)，如圖6所示。

圖6 I2C總線上的總線仲裁 　　

⑩總線封鎖狀態(tài)。

在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動(dòng)，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個(gè)器件將時(shí)鐘線SCL鎖定在低電平上即可。