1、基本概念

      主機            初始化傳送，產生時鐘訊號和終止傳送的器件

      從機            被主機定址的器件

      傳送器        傳送資料到匯流排的器件

      接收器        從匯流排接收資料的器件

      多主機        同時有多於一個主機嘗試控制匯流排 但不破壞報文

      仲裁           是一個在有多個主機同時嘗試控制匯流排，但只允許其中一個控制匯流排並使報文不被破壞的過程

      同步           兩個或多個器件同步時鐘訊號的過程

2、硬體結構

每一個I2C匯流排器件內部的SDA、SCL引腳電路結構都是一樣的，引腳的輸出驅動與輸入緩衝連在一起。其中輸出為漏極開路的場效電晶體、輸入緩衝為一隻高輸入阻抗的同相器。這種電路具有兩個特點：

（1）由於 SDA、SCL 為漏極開路結構，藉助於外部的上拉電阻實現了訊號的“線與”邏輯； 
（2）引腳在輸出訊號的同時還將引腳上的電平進行檢測，檢測是否與剛才輸出一致。為 “時鐘同步”和“匯流排仲裁”提供硬體基礎。

3、時鐘同步

如果從機希望主機降低傳送速度可以通過將SCL主動拉低延長其低電平時間的方法來通知主機，當主機在準備下一次傳送發現SCL的電平被拉低時就進行等待，直至從機完成操作並釋放SCL線的控制控制權。這樣以來，主機實際上受到從機的時鐘同步控制。可見SCL線上的低電平是由時鐘低電平最長的器件決定；高電平的時間由高電平時間最短的器件決定。這就是時鐘同步，它解決了I2C匯流排的速度同步問題。

4、主機發送資料流程

（1）主機在檢測到匯流排為“空閒狀態”（即 SDA、SCL 線均為高電平）時，傳送一個啟動訊號“S”，開始一次通訊的開始

（2）主機接著傳送一個命令位元組。該位元組由 7 位的外圍器件地址和 1 位讀寫控制位 R/W組成（此時 R/W=0）

（3）相對應的從機收到命令位元組後向主機回饋應答訊號 ACK（ACK=0）

（4）主機收到從機的應答訊號後開始傳送第一個位元組的資料

（5）從機收到資料後返回一個應答訊號 ACK

（6）主機收到應答訊號後再發送下一個資料位元組

（7）當主機發送最後一個數據位元組並收到從機的 ACK 後，通過向從機發送一個停止訊號P結束本次通訊並釋放匯流排。從機收到P訊號後也退出與主機之間的通訊

注意：①主機通過傳送地址碼與對應的從機建立了通訊關係，而掛接在總線上的其它從機雖然同時也收到了地址碼，但因為與其自身的地址不相符合，因此提前退出與主機的通訊；②主機的一次傳送通訊，其傳送的資料數量不受限制。主機是通過 P 訊號通知傳送的結束，從機收到 P 訊號後退出本次通訊；③主機的每一次傳送後都是通過從機的 ACK 訊號瞭解從機的接收狀況，如果應答錯誤則重發。

5、主機接收資料流程

（1）主機發送啟動訊號後，接著傳送命令位元組（其中 R/W=1）

（2）對應的從機收到地址位元組後，返回一個應答訊號並向主機發送資料

（3）主機收到資料後向從機反饋一個應答訊號

（4）從機收到應答訊號後再向主機發送下一個資料 

（5）當主機完成接收資料後，向從機發送一個“非應答訊號（ACK=1）”，從機收到ASK=1 的非應答訊號後便停止傳送

（6）主機發送非應答訊號後，再發送一個停止訊號，釋放匯流排結束通訊

注意：主機所接收資料的數量是由主機自身決定，當傳送“非應答訊號/A”時從機便結束傳送並釋放匯流排（非應答訊號的兩個作用：前一個數據接收成功，停止從機的再次傳送）。

6、匯流排死鎖原因分析

I2C匯流排寫操作過程中，主機在產生啟動訊號後控制SCL產生8個時鐘脈衝，然後拉低SCL訊號為低電平，在這個時候，從機輸出應答訊號，將SDA訊號拉為低電平。如果這個時候主機異常復位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從機沒有復位，就會繼續I2C的應答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變為低電平，才會結束應答訊號。而對於主機來說，復位後檢測SCL和SDA訊號，如果發現SDA訊號為低電平，則會認為I2C匯流排被佔用，會一直等待SCL和SDA訊號變為高電平。這樣，主機等待從機釋放SDA訊號，而同時從機又在等待主機將SCL訊號拉低以釋放應答訊號，兩者相互等待，I2C匯流排進人一種死鎖狀態。同樣，當I2C進行讀操作時，從機應答後輸出資料，如果在這個時刻主機異常復位而此時從機輸出的資料位正好為0，也會導致I2C匯流排進入死鎖狀態。

解決方案通常有如下幾種：

（1）將從機的電源設計為可控，當發生匯流排死鎖的時將從機復位

（2）可以在從機的程式中加入監測功能，如果匯流排長時間被拉低則釋放對匯流排的控制

（3）在主機中增加I2C匯流排恢復程式。每次主機復位後，如果檢測到SDA被拉低，則控制SCL產生<=9個時鐘脈衝(針對8位資料的情況)，每傳送一個時鐘脈衝就檢測SDA是否被釋放，如果SDA已經被釋放就再模擬產生一個停止訊號，這樣從機就可以完成被掛起的讀寫操作，從死鎖狀態中恢復過來。這種方法有一定的侷限性，因為大部分主機的I2C模組由內建的硬體電路來實現，軟體並不能夠直接控制SCL訊號模擬產生需要時鐘脈衝

7、處理器的I2C模組會在如下所述的情況產生中斷訊號

      RX_UNDER    當處理器通過IC_DATA_CMD暫存器讀取接收緩衝器為空時置位

      RX_OVER      當接收緩衝器被填滿，而且還有資料從外設傳送過來時被置位；緩衝器被填滿後接收的資料將會丟失

      RX_FULL       當接收緩衝器達到或者超過IC_RX_TL暫存器中規定的閾值時被置位；當資料低於閾值時標誌位將被自動清除

      TX_OVER      當傳送緩衝器被填滿，而且處理器試圖傳送另外的命令寫IC_DATA_CMD暫存器時被置位

      TX_EMPTY    當傳送緩衝器等於或者低於IC_TX_TL暫存器中規定的閾值時被置位；當資料高於閾值時標誌位將被自動清除

      RD_REQ        當i2c模組作為從機時並且另外的主機試圖從本模組讀取資料時被置位

      TX_ABRT       當i2c模組無法完成處理器下達的命令時被置位，有如下幾種原因：

                              * 傳送地址位元組後沒有從機應答

                              * 地址識別成功後主機發送的資料從機沒有應答

                              * 當i2c模組只能作為從機時試圖傳送主機命令

                              * 當模組的RESTART功能被關閉，而處理試圖完成的功能必須要RESTART功能開啟才能完成

                              * 高速模組主機程式碼被應答

                              * START BYTE被應答

                              * 模組仲裁失敗

                              無論標誌位什麼時候被置位，傳送緩衝器和接收緩衝器的內容都會被重新整理

      RX_DONE      當i2c模組作為從機發送資料時，如果主機沒有應答則置位；這種情況發生在i2c模組傳送最後一個位元組資料時，表明傳輸結束

      ACTIVITY       表明i2c模組正在活動，這個標誌位將會一直保持直到用以下4種方式清除：

                              * 關閉i2c

                              * 讀取IC_CLR_ACTIVITY暫存器

                              * 讀取IC_CLR_INTR暫存器

                              * 系統重啟

                              即使i2c模組是空閒的，這個標誌仍然需要被置位直到被清除，因為這表明i2c總線上有資料正在傳輸

      STOP_DET     表明i2c總線上產生了STOP訊號，無論模組作為主機還是從機

      START_DET   表明i2c總線上產生了START訊號，無論模組作為主機還是從機