I2C之知(三)--I2C總線的字節(jié)格式、時鐘同步和仲裁

字節(jié)格式
發(fā)送到SDA線上的每個字節(jié)必須是8位.每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量是不受限制的.每個字節(jié)后必須跟著一個ACK應(yīng)答位.數(shù)據(jù)從最高有效位(MSB)開始傳輸.如果從機要執(zhí)行一些功能后才能接收或者發(fā)送新的完整數(shù)據(jù),比如說服務(wù)一個內(nèi)部中斷,那么它可以將時鐘線SCL拉低來強制使主機進入wait狀態(tài).當從機準備好新的字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時,釋放時鐘線SCL,數(shù)據(jù)傳輸便繼續(xù)進行.


ACK和NACK
每個字節(jié)后都有ACK發(fā)生.ACK應(yīng)答位允許接收器通知發(fā)送器字節(jié)成功接收了下一個字節(jié)可以發(fā)送了.主機產(chǎn)生所有的時鐘脈沖,包括應(yīng)答位的第9個時鐘脈沖.
ACK應(yīng)答信號是如下定義的:在ACK的第9個時鐘脈沖中發(fā)送器釋放SDA線,所以接收器可以將SDA拉低,使得在這個時鐘脈沖的高電平期間保證SDA是低電平.建立和保持時間也應(yīng)該計算在內(nèi).
當在第9個時鐘脈沖期間SDA仍然是高,這時定義為NACK信號.這時主機可以產(chǎn)生一個終止條件來終止傳輸,或者一個重復(fù)的開始條件來開始一個新的傳輸.這里有5中情況導(dǎo)致NACK的產(chǎn)生:
1.總線當前的傳輸?shù)刂飞蠜]有接收器,所以沒有設(shè)備用ACK來響應(yīng).
2.因為接收者正在處理一些實時的功能,尚未準備與主機的通信,所以接收者不能收發(fā).
3.在傳輸期間,接收者收到不能識別的數(shù)據(jù)或者命令.
4.在傳輸期間,接收者無法接收更多的數(shù)據(jù)字節(jié).
5.主-接收器要通知從-發(fā)送器傳輸?shù)慕Y(jié)束.

時鐘同步
在空閑總線上兩個主機可以同時開始傳輸,所以必須要有一個方法來決定哪個主機來控制總線并完成其數(shù)據(jù)傳輸.這個方法就是時鐘同步和仲裁.在單主機系統(tǒng)中,時鐘同步和仲裁不需要了.
時鐘同步通過使用I2C接口與SCL線的線與連接實現(xiàn).意味著SCL線從高到低期間會引起主機開始計算它的低電平周期,一旦主機時鐘變低,它會保持SCL線處于這種狀態(tài)直到時鐘到達高電平.然而,如果另一個時鐘依舊是低電平,時鐘的從低到高的變化并不會改變SCL線的狀態(tài).SCL拉低的時間由最長的低電平周期決定.短一些的低電平周期的主機在這時進入HIGH wait-state.

當所有的主機的低電平周期都結(jié)束了,時鐘線才回到高電平.這時主機時鐘和SCL的狀態(tài)一致,所有的主機開始計數(shù)他們的高電平周期.第一個結(jié)束高電平的主機將SCL線重新拉低.
這樣的話,同步的SCL時鐘的低電平周期由所有主機中最長的低電平周期決定,高電平周期由最短的高電平周期決定.

仲裁
仲裁和同步一樣,都是在系統(tǒng)中多于一個主機條件下協(xié)議要求的一部分.從機不參與仲裁處理.只有當總線空閑時,主機才可以開始一個傳輸.兩個主機可能在開始條件規(guī)定的最小保持時間(tHD;SDA)內(nèi)產(chǎn)生一個開始條件,結(jié)果總線上產(chǎn)生一個有效的開始條件.這個時候就需要仲裁來決定哪個主機完成它的傳輸.
仲裁處理是逐個bit進行的.在每個bit,當SCL為高,每個主機都check一下來看看SDA的電平是否和它發(fā)送的電平吻合.這個過程可能會持續(xù)很多個bit.只要傳輸是同一的,那么兩個主機可以無誤的完成完整的傳輸.當一個主機試著發(fā)送高,但是檢測到SDA為低,那么這個主機知道自己失去仲裁然后關(guān)掉自己的SDA輸出.另外的主機就會去完成它的傳輸.
在仲裁處理過程中沒有信息丟失.失去仲裁的主機在它失去仲裁的字節(jié)末尾處產(chǎn)生時鐘脈沖,當總線空閑時必須重啟它的傳輸.
如果一個主機包含從機的功能,當它在尋址階段丟失仲裁,那么贏得仲裁的主機可能會尋址它.丟失仲裁的主機必須立即切換到它的從模式.
下圖顯示了兩個主機的仲裁處理.在主機產(chǎn)生的DATA1和SDA線的實際電平的值出現(xiàn)不同時,DATA1的輸出就關(guān)掉了.主機1失去了仲裁.贏得仲裁的主機2的傳輸數(shù)據(jù)不受影響.

因為I2C總線只是僅由地址來控制,數(shù)據(jù)只由贏得仲裁的主機發(fā)送,這里沒有最重要的主機,在總線上也沒有優(yōu)先級順序.
在仲裁處理正在進行的時候,一個主機發(fā)送重復(fù)的開始條件或者是終止條件而另一個主機仍然在發(fā)送數(shù)據(jù),那么這時候有一個未定的狀態(tài).換句話說,下面的條件下會出現(xiàn)這種情況:
主機1發(fā)送重復(fù)的開始條件,主機2發(fā)送一個數(shù)據(jù)位
主機1發(fā)送終止條件,主機2發(fā)送一個數(shù)據(jù)位
主機1發(fā)送重復(fù)的開始條件,主機2發(fā)送終止條件