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模擬I2C總線(xiàn)多主通信的通用軟件包
摘要：本文給出軟件模擬I2C總線(xiàn)應用在多主機系統中的解決方案。分析多主競爭出現原因及其時(shí)段，結合時(shí)序圖和流程圖闡述競爭仲裁的原理及實(shí)現方案，并提供通用軟件包，用戶(hù)可將其應用在實(shí)際的系統中。引言
I2C是由Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線(xiàn)。它以規范嚴謹、使用簡(jiǎn)單靈活、支持的外圍器件繁多等特點(diǎn)而被廣泛應用。對于不具備I2C接口的主器件（通常指MCU），可利用普通的I/O口來(lái)模擬I2C總線(xiàn)，但由于無(wú)法解決多主競爭問(wèn)題而只能應用在單主機系統中。本文提供了一種解決方案，可將模擬I2C總線(xiàn)應用在多主機系統中，實(shí)現模擬I2C的多主通信。
1 模擬I2C多主通信的設計原理
在I2C總線(xiàn)系統中，可以有多個(gè)主器件節點(diǎn)。當多個(gè)主器件節點(diǎn)都企圖控制總線(xiàn)時(shí)，就會(huì )出現多主競爭。這時(shí)就需要進(jìn)行仲裁，裁決的結果只允許其中一個(gè)主器件節點(diǎn)成為主控器。而硬件I2C系統之所以支持多主系統，是因為其具有的三個(gè)特性：①接口的線(xiàn)“與”邏輯功能；②內部沖突檢測電路；③I2C中斷和狀態(tài)處理程序。這使其能夠自動(dòng)完成多主競爭時(shí)的時(shí)鐘同步與總線(xiàn)仲裁，無(wú)須用戶(hù)介入。而在模擬I2C系統中，如果能通過(guò)軟硬件設計模擬出上述的三個(gè)特性，就等于解決了競爭仲裁與同步問(wèn)題，那么模擬I2C總線(xiàn)就完全可以應用于多主機系統中。
首先，經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)驗驗證，得知并聯(lián)在一起的MCU的普通I/O口線(xiàn)本身就具有線(xiàn)“與”特性。其次，為了避免主節點(diǎn)在總線(xiàn)繁忙時(shí)啟動(dòng)總線(xiàn)而引起的沖突，需要增加一條握手線(xiàn)，即BUSY線(xiàn)來(lái)代表總線(xiàn)的忙/閑狀態(tài)。因為數據線(xiàn)（SDA）和時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）上的信號是變化的，所以不能用它們充當BUSY線(xiàn)。另外，當多個(gè)MCU都檢測到總線(xiàn)空閑，同時(shí)企圖控制總線(xiàn)時(shí)，將形成多主競爭狀態(tài)，同樣會(huì )引起沖突。這時(shí)就需要引入時(shí)間片，用劃分的時(shí)間片來(lái)決定競爭時(shí)各MCU占用I2C總線(xiàn)的優(yōu)先次序。結合SDA的線(xiàn)“與”特性，檢測SDA上是否已經(jīng)存在啟動(dòng)信號（即SDA是否為0），如果直到相應的時(shí)間片結束都沒(méi)有檢測到SDA上的啟動(dòng)信號，自己就可以控制總線(xiàn)。最后，由于模擬系統中沒(méi)有硬件I2C中斷，MCU作為從器件時(shí)不知何時(shí)開(kāi)始接收總線(xiàn)上的數據，所以，需要提供一根I2C中斷信號線(xiàn)，使MCU在中斷程序中處于從接收狀態(tài)，中斷線(xiàn)可以與BUSY線(xiàn)合用。
通過(guò)上述分析，利用三根信號線(xiàn)就能模擬出硬件I2C的競爭仲裁過(guò)程，實(shí)現模擬I2C的多主通信。
2 系統連接示意圖
三線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)系統的連接框圖如圖1所示。
模擬I2C多主系統中，要參與競爭的主器件節點(diǎn)采用三級連接方式，如MCU（A）、MCU（B）、MCU（C）；對于外圍器件節點(diǎn)如24C64等，因不具備主動(dòng)控制I2C總線(xiàn)的能力，不會(huì )參與總線(xiàn)的競爭，所以仍可采用通用的兩線(xiàn)連接方式。三線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)中的時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)SDA可由MCU的任意兩個(gè)I/O口線(xiàn)模擬；BUSY線(xiàn)因還要充當中斷信號線(xiàn)，則必須與MCU的外部中斷引腳INT0或INT1連接。
3 時(shí)序分析及流程設計
在檢測到BUSY=0（忙）時(shí)，不會(huì )出現競爭；但當檢測到BUSY=1（閑）到將BUSY設為0，需要的典型時(shí)間為3個(gè)機器周期。在這段時(shí)間內，別的MCU仍會(huì )檢測到BUSY=1，也認為總線(xiàn)空閑到企圖占用，這時(shí)就出現了競爭與沖突。競爭的時(shí)間范圍為2×3個(gè)機器周期。仲裁的方法是為每一個(gè)MCU分配一個(gè)仲裁時(shí)間片，在規定的時(shí)間片內MCU反復檢測總線(xiàn)中的數據線(xiàn)SDA是否有信號，直到時(shí)間片結束。如果沒(méi)有信號就可馬上占用I2C總線(xiàn)，發(fā)送起始信號；如果有信號則表示有別的高優(yōu)先級的MCU要占用，該MCU退出競爭。仲裁時(shí)序圖如圖2所示。
將BUSY設為0后的一段時(shí)間規定為仲裁時(shí)間。仲裁時(shí)間長(cháng)度為（N-1）×Δt。N為I2C總線(xiàn)上參與競爭的MCU個(gè)數；Δt為一個(gè)時(shí)間片的長(cháng)度，典型值為4個(gè)機器周期。按優(yōu)先級順序給MCU分配不同個(gè)數的時(shí)間片。仲裁時(shí)序如圖2所示：假設MCU（A）優(yōu)先級最高，它不必進(jìn)行時(shí)間片測試，在檢測到總線(xiàn)空閑時(shí)直接發(fā)送起始位；MCU（B）優(yōu)先級為次高，在檢測到總線(xiàn)空閑后，它需要等待檢測一個(gè)時(shí)間片周期Δt，在Δt期間內SDA線(xiàn)上沒(méi)有變化，即等待確認比它高優(yōu)先級的MCU（A）不使用總線(xiàn)后，MCU（B）才能占用總線(xiàn)，發(fā)送起始信號；MCU（C）優(yōu)先級最低，它需要測試等待周期2Δt，只有當MCU（A）、MCU（B）都不占用總線(xiàn)時(shí)（SDA一直保持為1），MCU（C）才能占用總線(xiàn)發(fā)送起始信號。
在實(shí)際應用中，還要注意BUSY線(xiàn)所用的中斷腳INT0/INT1需初始化為開(kāi)中斷，并設定為下跳沿觸發(fā)。當各MCU需控制總線(xiàn)進(jìn)行主發(fā)送或主接收時(shí)，需先關(guān)掉INT0/INT1需初始化
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