代码收藏家技术教程 2023-04-02

I2C（IIC）的仲裁、时钟同步和时钟扩展

注意，CSDN以及博客园上有大量抄袭和以讹传讹的情况，注意鉴别。

本文参考了Philip的I2C specification以及wiki pedia，并且通过实践验证。

阅读本文要求你已经对i2c的协议有基本的了解。我们将会着重介绍多主机模式（multi-master)下的仲裁（arbitration），仲裁时不同主机之间的时钟同步（clock synchronization），以及从机（slave）动态调整通信速率的措施时钟扩展（clock stretching）

仲裁

发生仲裁的前提是，一条总线上挂载了多个主机，并且这些主机都支持多主机模式，即每一个主机都可以实时监测SDA以及SCL的情况，从而通过start和stop位来确定总线的情况（被占用还是空闲）。当多个主机检测到当前总线处于空闲状态时（这里以2个主机为例），可能会同时发出启动标志位（发出的时间间隔很短，因此无法检测到其他节点产生的电平变化，误认为总线是空闲的），这时候仲裁机制开始生效。

总线归属权的仲裁是通过SDA线完成的。由于I2C的总线设计是线与（wired-AND），因此低电平是显性电平。只要有一个节点将SDA拉低，那么整条总线都会拉至低电平。在两个主机都认为总线空闲并开始通信之后，当遇到第一个两者发送的不同的位时，会决出总线的归属者。

直接举例。设主机1将向address为0b10100111的从机发送数据，主机2将向addres为0x10101000的从机发送数据。两者都占有总线并同时向SDA写入数据。注意I2C发送的顺序是MSB->LSB（先发送高位）。两者的前四位数据相同，而当发送进行到第五个时钟周期时，master1的第五位为0，而master2的第五位为1，此时根据线与特性，SDA总线的电平会被master1拉低。master2会检测到自己要发送的电平和总线的实际电平不符，从而获知有其他主机正在发送，随之停止后续的发送，让出总线的归属权。

若两主机向相同的地址写入数据，那么仲裁过程将继续，直到在后续的数据位中决出总线的归属权（仍然是通过上述的方法）。

P.S. 仲裁不能发生在start和stop段，否则行为是未定义的。即倘若两个主机向相同的地址写入相同的数据，那么并不能决出总线的归属权。在这时，一个主机发出stop结束通信，而另一个主机则发出restart开始新的通信，这时候的行为就是未定义的。详见I2C-bus specification and user manual的第十二页：

I2C的仲裁是通过采样SDA完成的，因此不会破坏数据的有效性，通信不会停止，也不会有数据帧丢失。但是I2C不具有主机优先级的设定，因为总线的归属权是根据主机发送的数据确定的，因此无法提前为每个主机设定发送或接收的优先级。

时钟同步

时钟同步只会在仲裁时发生。SCL是由主机产生的时钟信号，用于和从机确定数据发送和采样的时间点。倘若处在仲裁期间，会有多个主机同时发送往SCL上发送时钟信号。两个主机配置的通信速率可能不同，因此时钟频率必然不同；即使配置了相同的通信速率，两者开始发送数据的时间也不同。此时时钟信号具体如何确定就要通过clock synchronization的机制。

在总线空闲的时候，SCL被上拉电阻拉高。开始通信后，主机的时钟信号接入SCL中。如下图所示，有两个主机（时钟信号分别为CLK1和CLK2）都认为主机空闲，因此开始将时钟信号输入SCL。同步分为以下五个阶段：

CLK1率先变为低电平，由于线与特性CLK2也变成低电平。
但是CLK2的低电平时间更长（时钟周期更长，CLK1的周期更短），即使主机1内部的CLK1已经变成高电平，SCL的实际电平仍然和CLK2保持一致。此时，主机1将会检测到这一情况，并从此时开始计数（计算低电平持续的时间，即下图中的wait state，稍后用）
CLK2迎来高电平之后，主机1内部的wait state结束，因为两者都为高，因此SCL总线进入高电平，两个主机内部都会开始对高电平持续的时间进行计数。
随后，CLK1会比CLK2先回到低电平（此时CLK1的周期仍然比CLK2更短）。

虚线框表示CLK2原本的波形

现在，CLK1以及获得了需要延长的低电平时间，CLK2也获得了需要减短的高电平时间（都是通过刚才的计数获得的），两个主机会根据之前的计数重新调整自己的时钟周期，从而完成时钟同步。

例如，在时钟同步之前，主机1的速度为400kbit/s（fast mode），主机2的速度为100kbit/s（standard mode），同步之后，速度都会变为100kbit/s。如果两者的通信速率本就相同，但也会因为CLK的开始时间不一样而出现错位，这同样会通过时钟同步而矫正。

其他的教程中常出现一句话叫：“同步之后的时钟，低电平的时间取决于低电平最长的CLK，高电平时间取决于高电平时间最短的CLK”，描述的实际上就是I2C总线的线与特性。通过线与的特性以及I2C对SCL的持续检测（采样），我们就可以实现时钟同步了。

关于时钟同步的原始描述，可以参见I2C-bus specification and user manual的第11页。

时钟扩展

和其他常见的通信方式相比，I2C可以动态地调整总线的通信速率，这是通过时钟扩展（clock stretchign）完成的。

同样，时钟扩展需要I2C的硬件支持，其主机和从机都需要相关的硬件才可以实现这一功能。

虽然我们已经设定了I2C的通信速率（如标准模式，快速模式，高速模式等），但支持时钟扩展的I2C硬件可以根据情况动态改变通信速率。时钟扩展是由从机发起的。如从机正在处理其他任务无暇接收数据，或上一次收到的数据还没来得及写入或转移到其他地方时，就可以在收到一个byte的数据之后主动将SCL拉低（此时尚未发送ACK给主机），主机会检测到SCL的变化，进入等待状态（wait state），此时主机便会停止数据的发送，直到检测到SCL被释放（I2C的两条总线都是接了上拉电阻，默认为高电平，因此称回到高电平为“释放”）并收到释放之后的ACK信号。