再次学习I2C总线时序以及ACK和NACK(NAK，NCK)

平时工作中需要应对工作进度，节点，板子能运行，测试信号没问题就万事大吉了，很少去深究通信协议，因为本来之前是了解的，只是时间久了也记不太清楚，变成了似懂非懂，当板子或者软件调试不通的时候，就要去获取信号波形，看质量和通信内容，特别是看对方是否回复ACK，NACK，至少都能判断硬件是否工作等。趁着这次查找问题的机会，再次熟悉以下I2C的通信协议。

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。

使用了STC12LE5206AD芯片

/* 
 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_

/* 
 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);  
}

本文拷贝：https://blog.csdn.net/xiaoshengqdlg/article/details/54311382