I2C子系统（四）

4、I2C Synchronization And Arbitration

本文讲解三个重要的 I2C 概念：时钟延展、同步、仲裁

Data and ACK/NACK

正常情况

主接收机必须向从机发送传输结束的信号。

异常情况

1. 发送到总线上的地址，却没有匹配的从机
2. 从机处于 busy 状态。
3. 在传输过程中，从机获取其不理解的数据或命令。
4. 在传输过程中，从机无法再接收任何数据字节。

主机可以生成停止条件以中止传输，或生成重复启动条件以启动新传输。

Clock stretching 时钟延展

1. 时钟延展：通过将 SCL 线保持在低电平来暂停传输。在 SCL 再次拉高之前，传输无法进行。
2. 从机通过将 SCL 线拉低，强制主机进入等待状态。
3. 时钟延展功能是可选的，不是必选的
4. 时钟延展导致需要更多时间来存储接收到的字节或准备另一个要传输的字节
5. 通过延长每个时钟低电平周期来降低总线时钟。任何主机的速度都与该设备的内部运行速度相适应。
6. 在 Hs 模式下，此握手功能只能在字节级别使用

I2C 主设备始终控制着时钟线 SCL，不论是往设备写还是从设备读。一般情况下，如果操作对象是 EEPROM 或者其他简单设备而言，无所谓，但是，如果从设备是处理器，在接到主机命令后要去处理一些运算然后得出结果返回给主机。这个时候可能造成来不及处理。怎么办？这时，从设备会主动控制时钟线把它拉低！直到数据准备好之后再释放时钟线，把控制权交还给 MASTER。这也是 I2C 通信系统中，从机唯一能控制总线的时候！

关键是很多 I2C 主机不支持 clock stretching 功能，所以，无法和带有 clock stretching 功能的从机通信！所以，各位在选择主机器件之前，必须要注意这一点，不然整个设计方案可能报废，影响很大。

Synchronization And Arbitration

在多主的通信系统中。总线上有多个节点，它们都有自己的寻址地址，可以作为从节点被别的节点访问，同时它们都可以作为主节点向其他的节点发送控制字节和传送数据。

但是如果有两个或两个以上的节点都向总线上发送启动信号并开始传送数据，这样就形成了冲突。要解决这种冲突，就要进行仲裁的判决，这就是 I2C 总线上的仲裁。

I2C 总线上的仲裁分两部分：SCL 线的同步和 SDA 线的仲裁，这两部分没有先后关系，同时进行。

SCL Synchronization

SCL 同步是由于总线具有线“与”的逻辑功能，即只要有一个节点发送低电平时，总线上就表现为低电平。当所有的节点都发送高电平时，总线才能表现为高电平。正是由于线“与”逻辑功能的原理，当多个节点同时发送时钟信号时，在总线上表现的是统一的时钟信号。这就是 SCL 的同步原理。

同步过程如下图：

SDA Arbitration

SDA线的仲裁也是建立在总线具有线“与”逻辑功能的原理上的。节点在发送1位数据后，比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致。是，继续发送；否则，退出竞争。

SDA 线的仲裁可以保证 I2C 总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行并且数据不丢失。总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线。

1. 仲裁在 SDA 上进行，此时 SCL 为高电平。
2. A 主机传输高电平,B 主机传输低电平，A 失去仲裁。
3. 丢失仲裁的主机将生成时钟脉冲，直到丢失仲裁的字节结束。

仲裁过程：

DATA1 和 DATA2 分别是主节点向总线所发送的数据信号，SDA 为总线上所呈现的数据信号，SCL 是总线上所呈现的时钟信号。

当主节点 1、2 同时发送起始信号时，两个主节点都发送了高电平信号。这时总线上呈现的信号为高电平，两个主节点都检测到总线上的信号与自己发送的信号相同，继续发送数据。

第2个时钟周期，2个主节点都发送低电平信号，在总线上呈现的信号为低电平，仍继续发送数据。

在第3个时钟周期，主节点1发送高电平信号，而主节点2发送低电平信号。根据总线的线“与”的逻辑功能，总线上的信号为低电平，这时主节点1检测到总线上的数据和自己所发送的数据不一样，就断开数据的输出级，转为从机接收状态。这样主节点2就赢得了总线，而且数据没有丢失，即总线的数据与主节点2所发送的数据一样，而主节点1在转为从节点后继续接收数据，同样也没有丢掉 SDA 线上的数据。因此在仲裁过程中数据没有丢失。

再次提醒：SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系，而是同时进行的。