「器件无响应」这一行

一句话总结

I2C 只能把线拉低。拉高的工作由电阻完成，所以一半的故障出现在上升沿。

为什么需要它

一个温度传感器直到昨天都还能读到，今天却读不到了。驱动只会说“设备无响应”。这句话把多种原因混为一谈——可能是地址错了，可能是传感器坏了，可能是没有供电，也可能是整条总线被锁死。从波形上看，这四种情况的样子截然不同。

学会读 I2C，就能把驱动里那一行错误，变成哪一位发生了什么事。这就是本模块的目的。

工作原理

共有两根线：SCL 是时钟，SDA 是数据，两者都是开漏的。设备只能用晶体管把线接到地，一旦松开，上拉电阻就会把它拉到电源电压。所以下降很快，上升则很慢，速度由电阻和寄生电容决定。TI 的 I2C 指南先用图示讲解了这种不对称——电阻小则通信快，但耗电更多，电阻大则变慢（SBAA565、SLVA704）。

规则可以概括为两条。数据只在 SCL 为低时才会改变。并且，SCL 为高期间如果 SDA 在变动，那就不是数据，而是一种条件。下降是 START，上升是 STOP。NXP 的规范原文就是这样定义的（UM10204）。

      START                                   STOP
SDA  ‾‾\____  A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R/W ACK  ____/‾‾
SCL  ‾‾‾‾\__/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\_/‾\__/‾‾‾‾

START 之后是 7 位地址和一位读写位，第九位是 ACK。在这个位置，主设备松开 SDA，由地址匹配的设备代为拉低。如果没有人拉低，由于上拉它会保持高电平，这就是 NACK。也就是说，NACK 不是设备发送的信号，而是什么也没有发生这一事实。这就是为什么地址写错和传感器没有供电时，波形完全相同。

读取传输通常要开始两次。先用写地址传出寄存器编号，不发 STOP，而是发出重复 START，再用读地址重新指定地址。如果中间发出 STOP，其间别的主设备就可能插进来，所以重复 START 相当于宣布“还没结束”。此外，主设备会对最后一个要接收的字节故意发出 NACK。这不是错误，而是“别再发了”的意思。仅凭波形就把最后那个 NACK 报告为故障，是常有的事。

时钟拉伸是从设备不松开 SCL，一直拉住它。意思是还没准备好，请等待，主设备必须等到 SCL 被释放。在波形上，它表现为与主设备产生的其他低电平区间长度明显不同的一个区间。在本课程的采集中，低电平区间的中位数是 5 µs，其中只有一个是 47 µs。查找原因时，关键是问“这个区间是谁造成的”——主设备无法解释自己没有造成的区间。

最后是弱上拉。电阻太大或布线电容太大，上升时间就会变长，在一个位时间内升不到 VIH。在本课程的采集中，SDA 从 10% 到 90% 的上升用了 5.25 µs，而 SCL 是 1.00 µs。在 400 kHz 下，SCL 的高电平区间比这更短，所以 SDA 没有时间去承载 1。用一半电压（1.65 V）来读，数据看起来完好无损，但用 0.7 × 3.3 = 2.31 V 来读，18 个区间里只有一个会被读成 1。同一个文件，不同的阈值，不同的结论。

在现场相遇的样子

有一种总线被锁死的事故。从设备正在发送字节的过程中，如果主设备重新启动，从设备就会停在自己输出 0 的位置，不再松开 SDA。主设备想产生 STOP，但 STOP 需要把 SDA 拉高才能成立，所以无法产生。波形上有 START 却没有 STOP，SDA 长时间保持低电平。重启也解不开，必须晃动几下 SCL，让从设备把剩下的位全部发出去，才能解开。

也会遇到把上拉电阻分散焊在多块板上，合并之后阻值过小的情况。这时上升变快，通信是正常的，但耗电增加，要到电池寿命报告里才暴露出来。上升时间并不是只会往一个方向变坏的值。

下一项测验要确认什么

会问到 START 和 STOP 的定义、ACK 位置上实际发生了什么、为什么最后一个字节的 NACK 是正常的、如何从波形上识别时钟拉伸，以及弱上拉出现在哪个边沿。