IIC通信协议

一、I2C协议简介

I2C由时钟线（SCL）和数据线（SDA）两根线构成通信线路，接口类型为开漏（或开集）输出，需要上拉电阻，总线空闲状态 I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平。I2C是一种主从结构（Master/Slave）总线，总线上每个设备都可以作为主机或从机，主设备通常是CPU，用来产生传输的时钟信号，并初始化总线的数据传输，而从设备只能被动响应主机请求。

二、I2C从设备地址

因为一个I2C总线可以接多个从设备，这就需要主机通过地址来确定与哪个从机进行通信。I2C总线上的每个从设备都有一个唯一的7bit物理识别地址。因为I2C地址全0表示广播地址，所以一个I2C总线理论最多能挂载2^7 - 1=127个从设备。

三、I2C通信时序

I2C总线上传送的每一个位数据都由一个同步时钟脉冲相对应，即在SCL时钟线的配合下，数据线SDA通过MSB的方式串行传送每一位数据，I2C每次收发一个字节响应一个应答信号。
起始信号/从机地址/读写位/应答/数据/应答/…/应答/停止信号

（1）起始位/停止位

I2C总线空闲时，由上拉电阻拉成高电平状态，当主机要开始一次I2C通信，就发送一个START（起始S）信号告诉所有的从机，准备开始通信，当要结束一个I2C通信时，则发送一个STOP（停止P）信号告诉从机。

起始信号：当SCL保持高电平，SDA产生下降沿
停止信号：当SCL保持高电平，SDA产生上升沿

（2）读写地址

主机在发送START信号后，必须接着发送从机的物理地址。因为I2C是可实现半双工通信，所以主机对从机必须具有读和写的功能。

在7bit的物理地址后面，接着1bit的读写标识，0表示写操作，1表示读操作。

（3）应答信号

主机往I2C总线传输地址后，所有从机接收到次地址与自己的地址进行比较，若相同则发出一个ACK应答信号，主机收到这个应答信号表示通讯连接建立成功，主机若没收到应答信号则表示寻址失败。

SCL一直由Master控制，在发送数据的时候，SDA发送端控制的，发送完8位数据后，发送方释放SDA线，就变成了接收端控制SDA线。

应答位（ACK）：表示继续，当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否应答位（NACK）：表示不希望继续，当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。

（4）数据位收发

主机收到从机应答后，开始向对应的从机发送数据，SDA数据线上的每个字节8位，每个字节发送完成后，从机必须回一个应答信号，一次完整的通信传输的字节数量没有限制。

数据传输采用MSB的方式，数据位传输必须在SCL高电平之间，SDA高电平表示发送1，SDA低电平表示发送0。在数据位传输过程种，SDA的数据位在SCL高电平时刻要保持稳定不变，不然就变成了起始信号或停止信号了。

（5）总线速率

标准模式下可达 100kbit/s
快速模式下可达 400kbit/s
高速模式下可达 3.4Mbit/s

注意：不同传输的速率下，IIC的电气特性要求就不一样，例如tHD;DAT是从SCL下降沿开始测量的数据保持时间，适用于传输和应答中的数据。最大tHD;DAT对于标准模式和快速模式，可以是3.45 μs和0.9 μs，但必须小于tVD的最大值；tHDDAT或tVD通过转换时间确认。

（6）主机发送数据流程

1、主机载检测到总线为空闲的时候，发送一个启动信号“S”，开始通信；
2、主机接着发送一个从设备地址，由7bit物理地址和1bit的读写控制位W/R组成；
3、通过地址识别，相对应的从机受到命令后向主机回馈一个应答信号（ACK=0）；
4、主机受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、主机发完最后一个字节并收到ACK后，向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线；
8、从机收到P信号后也退出与主机之间的通信。

（7）从机发送数据流程

1、主机发送启动信号，接着发送地址字节；
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ACK；
4、从机收到应答信号后继续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NACK，从机收到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。

四、IIC死锁

（1）产生死锁的原因

在正常情况下，I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是，当I2C主设备异常复位时(看门狗动作，板上电源异常导致复位芯片动作，手动按钮复位等等)有可能导致I2C总线死锁产生。
死锁的产生常见的有两种情况：一种是从设备在回复ACK时主设备异常复位；另一种是从设备在回复数据位是0的时候主设备异常复位。两种情况的相同点都是主设备异常复位时SDA处于被从设备拉低状态，而主设备复位后SCL处于高电平状态(空闲状态)。此时从设备会等待主设备拉低SCL取走ACK或者数据位，而主设备会等待从设备释放SDA线。主设备和从设备互相等待，隔空对望，进入死锁状态。

（2）解决死锁的方法

1.主设备在检测到SDA被拉低超过一段时间后，主动复位从设备从而使之释放SDA。这种方法的前提是从设备有复位引脚，MCU可以控制从设备的复位引脚使之复位。
2.主设备在检测到SDA被拉低超过一段时间后，推送9个Clock到时钟总线上，取走从设备的ACK位从而使从设备释放SDA为高电平。
3.在主从设备之间串联一个I2C缓冲器，该缓冲器可以自动检测死锁状态。当检测到死锁时会主动断开与主设备的连接，并发送9个Clock给从设备，等从设备释放SDA线后从新与主设备建立连接。
I2C的死锁问题无法从根本上避免，除了MCU的异常复位导致I2C死锁，从设备在正常通信过程中也有可能异常拉低SDA导致死锁。所以软件在设计时要考虑当死锁发生时要能够从死锁中恢复，使得I2C通信可以继续进行。

五、分析IIC时序的波形

参考链接：
https://blog.youkuaiyun.com/yuchengjie1988/article/details/108412261

对I2C总线时序的一点理解以及ACK和NACK(NAK)