總線空閑狀態(tài)

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平時(shí)，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

啟動(dòng)信號(hào)

在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的啟動(dòng)信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)是由主控器主動(dòng)建立的，在建立該信號(hào)之前I2C總線必須處于空閑狀態(tài)。

重啟動(dòng)信號(hào)

在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動(dòng)Sr信號(hào)時(shí)序。重啟動(dòng)信號(hào)Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會(huì)丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點(diǎn)搶占總線。

重啟動(dòng)信號(hào)

在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動(dòng)Sr信號(hào)時(shí)序。重啟動(dòng)信號(hào)Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動(dòng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會(huì)丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點(diǎn)搶占總線。

停止信號(hào)

在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)，停止信號(hào)也是由主控器主動(dòng)建立的，建立該信號(hào)之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。

不是在數(shù)據(jù)有效性中規(guī)定在SDA只能在SCL的低電平的時(shí)候變化，為何STAR，STOP不一樣？首先STAR和STOP不是數(shù)據(jù)，所以可以不遵守?cái)?shù)據(jù)有效性中的規(guī)定，其它數(shù)據(jù)都遵守，而STAR和STOP“不遵守”導(dǎo)致STAR和STOP更容易被識(shí)別。這樣不是不遵守而是更有優(yōu)勢(shì)。

起始和停止條件一般由主機(jī)產(chǎn)生，總線在起始條件后被認(rèn)為處于忙的狀態(tài)，在停止條件的某段時(shí)間后總線被認(rèn)為再次處于空閑狀態(tài)。

如果產(chǎn)生重復(fù)起始(Sr) 條件而不產(chǎn)生停止條件，總線會(huì)一直處于忙的狀態(tài)。此時(shí)的起始條件(S)和重復(fù)起始(Sr) 條件在功能上是一樣的。

如果連接到總線的器件合并了必要的接口硬件，那么用它們檢測(cè)起始和停止條件十分簡便。但是沒有這種接口的微控制器在每個(gè)時(shí)鐘周期至少要采樣SDA 線兩次來判別有沒有發(fā)生電平切換。

數(shù)據(jù)位傳送

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當(dāng)使用獨(dú)立電源時(shí)）。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。

應(yīng)答信號(hào)

I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。 對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。 如果接收器是主控器，則在它收到最后一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。

插入等待時(shí)間

如果被控器需要延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳送的時(shí)間，則可以通過把時(shí)鐘線SCL電平拉低并且保持，使主控器進(jìn)入等待狀態(tài)。一旦被控器釋放時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)傳輸就得以繼續(xù)下去，這樣就使得被控器得到足夠時(shí)間轉(zhuǎn)移已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，或者準(zhǔn)備好即將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。帶有CPU的被控器在對(duì)收到的地址字節(jié)做出應(yīng)答之后，需要一定的時(shí)間去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，來分析或比較地址碼，其間就把SCL線鉗位在低電平上，直到處理妥當(dāng)后才釋放SCL線，進(jìn)而使主控器繼續(xù)后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送。

總線封鎖狀態(tài)

在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動(dòng)，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個(gè)器件將時(shí)鐘線SCL鎖定在低電平上即可。

總線競(jìng)爭(zhēng)的仲裁

總線上可能掛接有多個(gè)器件，有時(shí)會(huì)發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線的情況，這種情況叫做總線競(jìng)爭(zhēng)。I2C總線具有多主控能力，可以對(duì)發(fā)生在SDA線上的總線競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行仲裁，其仲裁原則是這樣的：當(dāng)多個(gè)主器件同時(shí)想占用總線時(shí)，如果某個(gè)主器件發(fā)送高電平，而另一個(gè)主器件發(fā)送低電平，則發(fā)送電平與此時(shí)SDA總線電平不符的那個(gè)器件將自動(dòng)關(guān)閉其輸出級(jí)。總線競(jìng)爭(zhēng)的仲裁是在兩個(gè)層次上進(jìn)行的。首先是地址位的比較，如果主器件尋址同一個(gè)從器件，則進(jìn)入數(shù)據(jù)位的比較，從而確保了競(jìng)爭(zhēng)仲裁的可靠性。由于是利用I2C總線上的信息進(jìn)行仲裁，因此不會(huì)造成信息的丟失。

為何識(shí)別到“0”將丟失仲裁呢？因?yàn)閷?duì)于OD門，只能驅(qū)動(dòng)到低電平，釋放總線只能通過不驅(qū)動(dòng)總線釋放，停止驅(qū)動(dòng)即產(chǎn)生“1”，但是發(fā)現(xiàn)總線還是“0”，這說明還有主機(jī)在跟自己競(jìng)爭(zhēng)總線使用權(quán)，自己線驅(qū)動(dòng)到“1”，確檢測(cè)到“0”，那代表自己已經(jīng)失去了仲裁。

主機(jī)只能在總線空閑的時(shí)侯啟動(dòng)傳送。兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)可能在起始條件的最小持續(xù)時(shí)間tHD;STA 內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)起始條件，結(jié)果在總線上產(chǎn)生一個(gè)規(guī)定的起始條件。

當(dāng)SCL 線是高電平時(shí)，仲裁在SDA 線發(fā)生；這樣，在其他主機(jī)發(fā)送低電平時(shí)，發(fā)送高電平的主機(jī)將斷開它的數(shù)據(jù)輸出級(jí)，因?yàn)榭偩€上的電平與它自己的電平不相同。然后，進(jìn)一步獲得其的判定條件：

仲裁可以持續(xù)多位。首先是比較地址位。如果每個(gè)主機(jī)都試圖尋址同一的器件，仲裁會(huì)繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位（假設(shè)主機(jī)是發(fā)送器），或者比較響應(yīng)位（假設(shè)主機(jī)是接收器）。

I2C 總線的地址和數(shù)據(jù)信息由贏得仲裁的主機(jī)決定，在仲裁過程中不會(huì)丟失信息。丟失仲裁的主機(jī)可以產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖直到丟失仲裁的該字節(jié)末尾。

在串行傳輸過程中時(shí)，一旦有重復(fù)的起始條件或停止條件發(fā)送到I2C 總線的時(shí)侯，仲裁過程仍在進(jìn)行。如果可能產(chǎn)生這樣的情況，有關(guān)的主機(jī)必須在幀格式相同位置發(fā)送這個(gè)重復(fù)起始條件或停止條件。

此外，如果主機(jī)也結(jié)合了從機(jī)功能，而且在尋址階段丟失仲裁，它很可能就是贏得仲裁的主機(jī)在尋址的器件。那么，丟失仲裁的主機(jī)必須立即切換到它的從機(jī)模式。

I2C 總線的控制只由地址或主機(jī)碼以及競(jìng)爭(zhēng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)決定，沒有中央主機(jī)，總線也沒有任何定制的優(yōu)先權(quán)。

上圖顯示了兩個(gè)主機(jī)的仲裁過程當(dāng)然可能包含更多的內(nèi)容由連接到總線的主機(jī)數(shù)量決定此時(shí)產(chǎn)生DATA1 的主機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)電平與SDA 線的實(shí)際電平有一些差別如果關(guān)斷數(shù)據(jù)輸出這就意味著總線連接了一個(gè)高輸出電平這不會(huì)影響由贏得仲裁的主機(jī)初始化的數(shù)據(jù)傳輸。

時(shí)鐘信號(hào)的同步

在I2C總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)下跳為低電平，將使SCL線一直保持低電平，使SCL線上的所有器件開始低電平期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不能影響SCL線的狀態(tài)，于是這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都上跳為高電平時(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘。可見，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長的器件確定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件確定。