AS32系列MCU芯片I2C模块性能解析与调试

国科安芯推出的AS32X601内置的I2C模块提供了符合工业标准的两线串行制接口，可用于MCU和外部IIC设备的通讯。IIC总线使用两条串行线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL。 IIC接口模块实现了IIC协议的标准模式和快速模式，支持多主机IIC总线架构。其中标准模式为100K，快速模式400K。

• 硬件设计

I2C 总线内部使用漏极开路输出驱动器，因此 SDA和 SCL 可以被拉低为低电平，但是不能被驱动为高电平，所以每条线上都要使用一个4.7K上拉电阻，默认情况下将其保持在高电平。

• I2C时序

①Start开始信号、Stop停止信号：

这两个信号由主机产生，不属于数据域交互：

在SCL的高电平时，主机将SDA的电平由 高–>低是Start信号（下降沿）；

在SCL的高电平时，主机将SDA的电平由 低–>高是Stop信号（上升沿）；

②7位寻址

AS32X601的I2C只支持7位寻址模式，配置过程中从机地址需要左移1位才为实际地址。

③数据方向

0写/1读

④应答ACK、非应答NACK

在SCL的一个时钟周期内，从机在SCL的高电平时，将SDA的电平由高拉低(或者继续保持低电平状态) 则是ACK信号；

从机在SCL的高电平时，如果SDA的电平一直是 高电平 则是NACK信号；

• 时钟

I2C0、I2C1时钟来自APB0,I2C2、I2C3时钟来自ABP1。具体配置可见I2C_CTLR寄存器。

• 软件编程

1. 配置I2Cx需要的GPIO为复用功能。
2. 通过配置I2C_INITSTRUCT初始化I2Cx，包括时钟分频，从机地址，ACK，高低电平时间等。

3. 按需求配置中断，并配置IRQ_HANDLER；
4. 调用收发接口，并处理数据

• I2C挂死原因解析

由于I2C采用线与结构，只要总线上任何一个器件拉低了SDA或者SCL，其他器件都无法拉高它们，看到的都是低电平。如果有器件不释放总线，则整个总线上的通讯都会被暂停 。

在实际操作中，I2C主是可编程器件，如果主机主动拉低了总线，可以通过调试代码了解原因，也可以通过复位I2C外设或者复位芯片来退出。而I2C从机往往不带RESET引脚，如果挂死了总线即使整个系统复位都无法解除，仅重新上下电才可以恢复，因此分析I2C从机挂死。

首先I2C从机在两种情况下会拉低SDA线。

①主机向从机写数据或地址时，从机如果发出ACK应答，则会第9个CLK的期间拉低SDA；

②主机读数据的时候，从机会在bit为0时对应的CLK期间拉低SDA。

根据I2C协议，SCL为高的时候，SDA电平应保持，而等到SCL为低后（也就是下降沿后）才能发生改变。若SCL拉高后主机不再拉低，从机会持续拉低SDA，直到见到SDA的下降沿。

最常见的情况是主机在通讯的过程中产生了复位。由于复位动作通常会立刻执行，外设状态机都恢复到默认状态，也就发不出完整的CLK。那么等到主机复位完成回来后，SCL为高，SDA被从机拉低。主机无法发起START起始条件，不能开始下一次与从机的通讯，这称为SDA挂死。

我们一般情况下用GPIO在SCL线上模拟一个下降沿，让从机状态机继续走下去。只发一个下降沿并不一定能将SDA释放，因为并不清楚当主机复位异常发生时刻从机到底处于哪一个状态，所以需要逐个CLOCK去抓波形，直到见到SDA被释放了，我们才终止并且发送STOP条件告诉从机这次通讯结束。

审核编辑 黄宇