对I2C总线时序的一点理解以及ACK和NACK(NAK)

来源：互联网发布：windows api 下载文件编辑：程序博客网时间：2024/05/22 11:53

http://www.cnblogs.com/zym0805/archive/2011/07/31/2122890.html
I2C是由Philips公司发明的一种串行数据通信协议，仅使用两根信号线：SerialClock（简称SCL）和SerialData（简称SDA）。I2C是总线结构，1个Master，1个或多个Slave，各Slave设备以7位地址区分，地址后面再跟1位读写位，表示读（=1）或者写（=0），所以我们有时也可看到8位形式的设备地址，此时每个设备有读、写两个地址，高7位地址其实是相同的。

I2C数据格式如下：
无数据：SCL=1，SDA=1；
开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；
停止位（Stop）：当SCL=1时，SDA由0向1跳变；
数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；
当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；
地址位：定义同数据位，但只由Master发给Slave；
应答位（ACK）：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）：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。

当数据为单字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，停止位。
当数据为一串字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，8位数据，应答，……，8位数据，应答，停止位。

需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。
2，开始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master来发出。
3，地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送“Stop”。
4，当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。
5，当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。
6，当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放（SCL=0将发生“线与”）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

在实际应用中，并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下，编程者可以事先约定数据传送的长度，slave不检查NACK，有时可以起到减少系统开销的效果。但是如果slave方是硬件i2c要求一定要标准的NACK，master方是GPIO软件模拟i2c并没有正确的发送NACK，就会出现“slave收不到stop”导致i2c挂死。

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。下面详细说明一下总线死锁产生的原因。

在I2C主设备进行读写操作的过程中.主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲，然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说.复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种死锁状态。同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。

方法

(1)尽量选用带复位输人的I2C从器件。

(2)将所有的从I2C设备的电源连接在一起，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。
(3)在I2C从设备设计看门狗的功能。

(4)在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序。

每次I2C主设备复位后，如果检测到SDA数据线被拉低，则控制I2C中的SCL时钟线产生9个时钟脉冲(针对8位数据的情况，“9个clk可以激活”的方法来自NXP的文档，NXP（Philips）作为I2C总线的鼻祖，这样的说法是可信的)，这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作，从死锁状态中恢复过来。

这种方法有很大的局限性，因为大部分主设备的I2C模块由内置的硬件电路来实现，软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲。

或者，发送I2C_Stop条件也能让从设备释放总线。

如果是GPIO模拟I2C总线实现，那么在I2C操作之前，加入I2C总线状态检测I2C_Probe，如果总线被占用，则可尝试恢复总线，待总线释放后，再进行操作。要保证I2C操作最小单元的完整性，不被其他事件（中断、高优先级线程，等）打断。

(5)在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟脉冲，使I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。

(6)在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器，如Linear公司的LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器，并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输入侧连接主设备，总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时，就自动断开I2C总线输入侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后，LTC4307会再次连接输入输出侧，使总线能够正常工作。

http://www.openhw.org/sbogwxf230/blog/13-10/236383_4cff3.html

使用了STC12LE5206AD芯片

[cpp] view plain copy print?

/*
I2C.h
标准80C51单片机模拟I2C总线的主机程序头文件
*/
#ifndef _I2C_H_
#define _I2C_H_
#include "stc_new_8051.h"
#include "common.h"
//模拟I2C总线的引脚定义
//sbit I2C_SCL = SMBUS_SCL;
//sbit I2C_SDA = SMBUS_SDA;
#define I2C_SCL SMBUS_SCL
#define I2C_SDA SMBUS_SDA
//定义I2C总线时钟的延时值，要根据实际情况修改，取值1～255
//SCL信号周期约为(I2C_DELAY_VALUE*4+15)个机器周期
#define I2C_DELAY_VALUE 20
//定义I2C总线停止后在下一次开始之前的等待时间，取值1～65535
//等待时间约为(I2C_STOP_WAIT_VALUE*8)个机器周期
//对于多数器件取值为1即可；但对于某些器件来说，较长的延时是必须的
#define I2C_STOP_WAIT_VALUE 20
//I2C总线初始化，使总线处于空闲状态
void I2C_Init();
//主机通过I2C总线向从机发送多个字节的数据
bit I2C_Puts(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, char *dat);
//主机通过I2C总线向从机发送1个字节的数据
bit I2C_Put(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, char dat);
//主机通过I2C总线从从机接收多个字节的数据
bit I2C_Gets(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, unsigned char *dat);
//主机通过I2C总线从从机接收1个字节的数据
bit I2C_Get(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char *dat);
#endif //_I2C_H_

[cpp] view plain copy print?

/*
I2C.c
标准80C51单片机模拟I2C总线的主机程序
*/
#include "I2C.h"
//定义延时变量，用于宏I2C_Delay()
unsigned char data I2C_Delay_t;
/*
宏定义：I2C_Delay()
功能：延时，模拟I2C总线专用
*/
#define I2C_Delay()\
{\
I2C_Delay_t = (I2C_DELAY_VALUE);\
while ( --I2C_Delay_t != 0 );\
}
//void uart_flag(void)
//{
// UART_TXD=1;
// UART_TXD=0;
// UART_TXD=1;
//}
/*
函数：I2C_Init()
功能：I2C总线初始化，使总线处于空闲状态
说明：在main()函数的开始处，通常应当要执行一次本函数
*/
void I2C_Init()
{
I2C_SCL = 1;
I2C_Delay();
I2C_SDA = 1;
I2C_Delay();
}
/*
函数：I2C_Start()
功能：产生I2C总线的起始状态
说明：
SCL处于高电平期间，当SDA出现下降沿时启动I2C总线
不论SDA和SCL处于什么电平状态，本函数总能正确产生起始状态
本函数也可以用来产生重复起始状态
本函数执行后，I2C总线处于忙状态
*/
void I2C_Start()
{
EA=0;
I2C_SCL = 1;
I2C_Delay();
I2C_SDA = 1;
I2C_Delay(); //起始条件建立时间大于4.7us延时
I2C_SDA = 0; //发送起始信号
I2C_Delay();
I2C_SCL = 0; //钳住I2C总线，准备发送或接收数据
I2C_Delay();
I2C_Delay();
I2C_Delay();
}
/*
函数：I2C_Stop()
功能：产生I2C总线的停止状态
说明：
SCL处于高电平期间，当SDA出现上升沿时停止I2C总线
不论SDA和SCL处于什么电平状态，本函数总能正确产生停止状态
本函数执行后，I2C总线处于空闲状态
*/
void I2C_Stop()
{
unsigned int t = I2C_STOP_WAIT_VALUE;
I2C_SDA = 0; //发送结束条件的数据信号
I2C_Delay();
I2C_SCL = 1; //发送结束条件的时钟信号
I2C_Delay();
I2C_SDA = 1; //发送I2C总线结束信号
I2C_Delay();
EA=1;
while ( --t != 0 ); //在下一次产生Start之前，要加一定的延时
}
/*
函数：I2C_Write()
功能：向I2C总线写1个字节的数据
参数：
dat：要写到总线上的数据
*/
void I2C_Write(unsigned char dat)
{
/*发送1，在SCL为高电平时使SDA信号为高*/
/*发送0，在SCL为高电平时使SDA信号为低*/
unsigned char t ;
for(t=0;t<8;t++)
{
I2C_SDA = (bit)(dat & 0x80);
I2C_Delay();
I2C_SCL = 1; //置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位
I2C_Delay();
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay();
dat <<= 1;
}
}
/*
函数：I2C_Read()
功能：从从机读取1个字节的数据
返回：读取的一个字节数据
*/
unsigned char I2C_Read()
{
unsigned char dat=0;
unsigned char t ;
bit temp;
I2C_Delay();
I2C_Delay();
I2C_SDA = 1; //在读取数据之前，要把SDA拉高
I2C_Delay();
for(t=0;t<8;t++)
{
I2C_SCL = 0; /*接受数据*/
I2C_Delay();
I2C_SCL = 1;//置时钟线为高使数据线上升沿数据有效
I2C_Delay();
temp = I2C_SDA;
dat <<=1;
if (temp==1) dat |= 0x01;
}
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay();
return dat;
}
/*
函数：I2C_GetAck()
功能：读取从机应答位
返回：
0：从机应答
1：从机非应答
说明：
从机在收到每个字节的数据后，要产生应答位
从机在收到最后1个字节的数据后，一般要产生非应答位
*/
bit I2C_GetAck()
{
bit ack;
unsigned char Error_time=255;
I2C_Delay();
I2C_SDA = 1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位释放总线*/
I2C_Delay();
I2C_SCL = 1; /*接受数据*/
I2C_Delay();
do
{
ack = I2C_SDA;
Error_time--;
if(Error_time==0)
{
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay();
return 1;
}
}while(ack); //判断是否接收到应答信号
I2C_SCL = 0; //清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收
I2C_Delay();
I2C_Delay();
I2C_Delay();
return 0;
}
/*
函数：I2C_PutAck()
功能：主机产生应答位或非应答位
参数：
ack=0：主机产生应答位
ack=1：主机产生非应答位
说明：
主机在接收完每一个字节的数据后，都应当产生应答位
主机在接收完最后一个字节的数据后，应当产生非应答位
*/
void I2C_PutAck(bit ack)
{
I2C_SDA = ack; //在此发出应答或非应答信号
I2C_Delay();
I2C_SCL = 1; //应答
I2C_Delay();
I2C_SCL = 0; //清时钟线，钳住I2C总线以便继续接收，继续占用
I2C_Delay(); //等待时钟线的释放
I2C_Delay();
I2C_Delay();
I2C_Delay();
}
/*
函数：I2C_Puts()
功能：主机通过I2C总线向从机发送多个字节的数据
参数：
SlaveAddr：从机地址（高7位是从机地址，最低位是写标志0）
SubAddr：从机的子地址
Size：数据的字节数
*dat：要发送的数据
返回：
0：发送成功
1：在发送过程中出现异常
*/
bit I2C_Puts(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, char *dat)
{
//检查长度
if ( Size == 0 ) return 0;
//确保从机地址最低位是0
SlaveAddr &= 0xFE;
//启动I2C总线
I2C_Start();
//发送从机地址
I2C_Write(SlaveAddr);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
//发送子地址
I2C_Write(SubAddr);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
//发送数据
do
{
I2C_Write(*dat++);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
} while ( --Size != 0 );
//发送完毕，停止I2C总线，并返回结果
I2C_Stop();
return 0;
}
/*
函数：I2C_Put()
功能：主机通过I2C总线向从机发送1个字节的数据
参数：
SlaveAddr：从机地址（高7位是从机地址，最低位是写标志0）
SubAddr：从机的子地址
dat：要发送的数据
返回：
0：发送成功
1：在发送过程中出现异常
*/
bit I2C_Put(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, char dat)
{
return I2C_Puts(SlaveAddr,SubAddr,1,&dat);
}
/*
函数：I2C_Gets()
功能：主机通过I2C总线从从机接收多个字节的数据
参数：
SlaveAddr：从机地址（高7位是从机地址，最低位是读标志1）
SubAddr：从机的子地址
Size：数据的字节数
*dat：保存接收到的数据
返回：
0：接收成功
1：在接收过程中出现异常
*/
bit I2C_Gets(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char Size, unsigned char *dat)
{
//检查长度
if ( Size == 0 ) return 0;
//确保从机地址最低位是0
SlaveAddr &= 0xFE; //确保最低位是0
//启动I2C总线
I2C_Start();
//发送从机地址
I2C_Write(SlaveAddr);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
//发送子地址
I2C_Write(SubAddr);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
//发送重复起始条件
I2C_Start();
//发送从机地址
SlaveAddr |= 0x01;
I2C_Write(SlaveAddr);
if ( I2C_GetAck() )
{
I2C_Stop();
return 1;
}
//接收数据
for (;;)
{
*dat++ = I2C_Read();
if ( --Size == 0 )
{
I2C_PutAck(1);
break;
}
I2C_PutAck(0);
}
//接收完毕，停止I2C总线，并返回结果
I2C_Stop();
return 0;
}
/*
函数：I2C_Get()
功能：主机通过I2C总线从从机接收1个字节的数据
参数：
SlaveAddr：从机地址（高7位是从机地址，最低位是读标志1）
SubAddr：从机的子地址
*dat：保存接收到的数据
返回：
0：接收成功
1：在接收过程中出现异常
*/
bit I2C_Get(unsigned char SlaveAddr, unsigned char SubAddr, unsigned char *dat)
{
return I2C_Gets(SlaveAddr,SubAddr,1,dat);
}

0 0