在電子設(shè)計開發(fā)中I2C大家已經(jīng)很熟悉了，每一種電子產(chǎn)品小到電子開關(guān)，大到衛(wèi)星通信都會利用的I2C總線。據(jù)統(tǒng)計I2C在電子產(chǎn)品中占據(jù)了93%的份額，幾乎任何一種電路都要使用。

I2C是由PHILIPS公司在1980年開發(fā)的兩線式串行總線，至今已經(jīng)發(fā)展30多年的歷史了。古老的電子產(chǎn)品中就已經(jīng)在使用I2C總線了。I2C總線在所有總線中是最簡單，最穩(wěn)定的一種，由于發(fā)展歷史久遠(yuǎn)，所以I2C總線出現(xiàn)了多種版本。但是萬變不離其中，有的廠商甚至在原有I2C總線的基礎(chǔ)上，自己改變了總線時序，成為獨有的I2C。但是基本原理不變。我遇到過很多人在問我，自己的I2C程序明明已經(jīng)調(diào)試好，可換了個芯片就通信失敗了，不能讀取數(shù)據(jù)了。都是I2C的元器件，只是芯片廠家不同。在這里我告訴大家，這總線歷史悠久，各種版本的要有幾十種甚至幾百種了，所有版本的通信格式，協(xié)議都一樣，只是時間不同了，因為有的芯片廠家更改了時序中的時鐘周期。所以大家遇到這種問題，只需調(diào)整延時，其余不動即可，不必不知所措，亂找問題。

I2C總線從機(jī)設(shè)備最多支持127個，主要是通過串行數(shù)據(jù)(SDA)線和串行時鐘 (SCL)線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個器件都有一個唯一的地址。

I2C總線有三種數(shù)據(jù)傳輸速度：標(biāo)準(zhǔn)，快速模式和高速模式。標(biāo)準(zhǔn)的是100Kbps，快速模式為400Kbps，高速模式支持快至3.4Mbps的速度。所有的與次之傳輸速度的模式都是兼容的。I2C總線支持7位和10位地址空間設(shè)備和在不同電壓下運行的設(shè)備。

TTL電平與COMS在I2C這里通用。是相互兼容的。

由于I2C的模式多種多樣，我就給大家講一種常用的7位尋址模式的通信，還有10位模式，大家可以自行找資料去了解，這種10位模式的較少。

總線通信流程大概分為四部分。1.啟動—2.數(shù)據(jù)傳輸—3.應(yīng)答—4.結(jié)束。

啟動與結(jié)束：

SCL 線是高電平時，SDA 線從高電平向低電平切換，這個情況表示起始條件;

SCL 線是高電平時，SDA 線由低電平向高電平切換，這個情況表示停止條件。

數(shù)據(jù)傳輸：

發(fā)送到SDA 線上的每個字節(jié)必須為8 位，每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個字節(jié)后必須跟一個響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位(MSB)，如果從機(jī)要完成一些其他功能后(例如一個內(nèi)部中斷服務(wù)程序)才能接收或發(fā)送下一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，可以使時鐘線SCL 保持低電平，迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時鐘線SCL 后數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。

SDA仲裁

SDA仲裁

SDA線的仲裁也是基于總線具有線路 "AND "邏輯功能的原則。節(jié)點發(fā)送1位數(shù)據(jù)后，比較總線上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)是否與它發(fā)送的內(nèi)容一致(類似于CAN總線的回讀機(jī)制)，一致繼續(xù)發(fā)送否則退出競爭。SDA線的仲裁可以確保I2C總線系統(tǒng)正常通信，當(dāng)多個主節(jié)點試圖同時控制總線時，數(shù)據(jù)不會丟失?？偩€系統(tǒng)通過仲裁只允許一個主節(jié)點繼續(xù)占用總線。

仲裁過程

DATA1和DATA2分別是主節(jié)點發(fā)送給總線的數(shù)據(jù)信號，SDA是總線上呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)信號，SCL是總線上呈現(xiàn)的時鐘信號。當(dāng)主節(jié)點1和2同時發(fā)送啟動信號時，兩個主節(jié)點都發(fā)送高電平信號，這時，總線上的信號為高電平，兩個主節(jié)點檢測到總線上的信號與自己發(fā)送的信號相同，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第二個時鐘周期，兩個主節(jié)點都發(fā)送低電平信號，總線上呈現(xiàn)的信號為低電平，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。在第3個時鐘周期，主節(jié)點1發(fā)送一個高電平信號，而主節(jié)點2發(fā)送一個低電平信號，根據(jù)總線的 "AND "線的邏輯功能，總線上的信號是低電平。這時，主節(jié)點1檢測到總線上的數(shù)據(jù)與自己發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，并斷開數(shù)據(jù)的輸出階段，轉(zhuǎn)向從機(jī)接收狀態(tài)，這樣主節(jié)點2贏得了總線數(shù)據(jù)沒有丟失，即總線上的數(shù)據(jù)與主節(jié)點2發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，主節(jié)點1轉(zhuǎn)為從節(jié)點后繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，也沒有丟失SDA線。因此在仲裁過程中，數(shù)據(jù)不會丟失。

小結(jié)：SDA仲裁和SCL時鐘同步處理不是順序進(jìn)行的，而是同時進(jìn)行的。在實際使用中，I2C很容易出現(xiàn)死鎖。有兩種常見的情況會發(fā)生死鎖：

一種情況是，當(dāng)從屬設(shè)備回復(fù)ACK時，主設(shè)備異常復(fù)位。

另一種情況是，當(dāng)從屬設(shè)備回復(fù)的數(shù)據(jù)位為0時，主設(shè)備異常復(fù)位。

這兩種情況的相同點是，當(dāng)主設(shè)備被異常復(fù)位時，SDA處于被從屬設(shè)備拉低的狀態(tài)，而SCL在主設(shè)備復(fù)位后處于VOH(空閑狀態(tài))。此時，從設(shè)備將等待主設(shè)備將SCL拉低，以獲取ACK或數(shù)據(jù)位，而主設(shè)備將等待從設(shè)備釋放SDA線。主設(shè)備和從設(shè)備互相等待，在空中互相對視，進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

下面是一些解決死鎖問題的常用方法：主設(shè)備檢測到SDA線后，從設(shè)備就會釋放SDA線。

主設(shè)備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，會主動復(fù)位從設(shè)備釋放SDA。這種方法的前提是，從屬設(shè)備有一個復(fù)位引腳，MCU可以控制從屬設(shè)備的復(fù)位引腳使其復(fù)位。

在主設(shè)備檢測到SDA被拉低超過一段時間后，它向時鐘總線推送9個時鐘，并占用從屬設(shè)備的ACK位，這樣從屬設(shè)備就會釋放SDA到一個VOH。

在主設(shè)備和從設(shè)備之間串聯(lián)一個I2C緩沖器，它可以自動檢測死鎖情況。當(dāng)檢測到死鎖時，它將主動斷開與主設(shè)備的連接，并向從設(shè)備發(fā)送9個時鐘。在從屬設(shè)備釋放SDA線后，它將重新與主設(shè)備建立連接。

I2C死鎖問題不能從根本上避免，除了由MCU的異常復(fù)位引起的I2C死鎖外，在正常的通信過程中，從屬設(shè)備也可能異常地拉下SDA而引起死鎖。因此，當(dāng)死鎖發(fā)生時，軟件應(yīng)設(shè)計成能夠從死鎖中恢復(fù)，從而使I2C通信能夠繼續(xù)。

CORPORATE CULTURE 時鐘拉伸

時鐘拉伸

什么是I2C時鐘拉伸?在I2C的主從通信過程中，總線上的SCL時鐘總是由主站產(chǎn)生和控制，但如果從站不能跟上主站的速度，I2C協(xié)議規(guī)定從站可以拉低SCL時鐘線。傳輸會暫停，直到從機(jī)釋放SCL線，然后繼續(xù)傳輸。

時鐘拉伸是從屬設(shè)備的一個可選配置。如果不啟用，從機(jī)不能控制SCL;如果啟用，從機(jī)可以通過強(qiáng)行將SCL拉低來降低傳輸速度。在SCL為VOL的期間，主機(jī)只能等待從機(jī)釋放SCL。

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重復(fù)啟動

有時，主站需要在一次通信中進(jìn)行多次信息交換，如與不同的從站傳輸信息，或切換讀寫操作，而又不想在此期間被其他主站干擾，那么可以使用 "重復(fù)啟動條件"--在一次通信中，主站可以產(chǎn)生多個啟動條件來完成多個信息交換，最后產(chǎn)生一個停止條件來結(jié)束整個通信過程。由于在此期間沒有停止條件，所以主站一直占據(jù)著竊聽器，而其他主站無法切換進(jìn)來。

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下面是UART、I2c和SPI之間的區(qū)別

你可能想知道，這三種通信方式中哪一種是最好的?是UART、I2C，還是SPI?

實際是沒有最好的通信外設(shè)，每個通信外設(shè)都有自己的優(yōu)點和缺點。

因此，用戶應(yīng)該選擇最適合他們項目的通信外設(shè)。例如，如果你想要最快的通信外設(shè)，SPI將是最理想的。另一方面，如果用戶想連接多個設(shè)備而又不太復(fù)雜，I2C將是最理想的，因為它可以連接多達(dá)127個設(shè)備，而且易于管理。