c - I2C读取时出现奇怪的延迟问题

Question

我一直在尝试让我的 ATTINY85 进行 bit-bang I2C(读/写)。我有以下配置:

PB0 = SDA
PB1 = LED
PB2 = SCL

我可以毫无问题地写入，但只有当我在读取循环内有“delay()”函数时，读取才有效，到目前为止一切都很好:

char i2c_read(void)
{
    uint8_t B = 0;
    DDRB &= 0b11111110; // switch PB0 to input

    for ( int bit = 0; bit < 0x08; bit++ )
    {        
        delay(); // <--!!!!!!!!! the root of all evil

        SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );

        B <<= 1;

        if( PINB & (1 << PB0 ) )
        {
            B |= 1;              
        } 
        else
        {
            B |= 0;              
        }

        SIGNAL_LOW( PORT_SCL );
    }

    DDRB |= 0b00000001; // switch PB0 as output

    i2c_nack();

    return B;
}

如果我删除delay()，I2C将不再工作，并且我无法从设备读取数据(设备不响应​​)。似乎合乎逻辑，但我想删除delay()的原因是因为它实际上并不是“真正的”延迟，它只是打开和关闭位于不同引脚(PB1)上的LED，I2C线路位于PB0和PB2上.

_delay_ms 太慢了，所以我只是打开和关闭 PB1 引脚以产生微小的延迟，这是它工作的唯一方法。这是我的延迟函数的内容，如果我像这样保留它，一切都会很好:

void delay()
{
    LED_ON();
    LED_OFF();
}

void LED_ON( void )
{
    PORTB |= 0b00000010; // PB1
}

void LED_OFF( void )
{
    PORTB &= 0b11111101; // PB1
}

我怀疑我可能“钉住”了一个完美的延迟，从而创建了其他设备所需的适当信号长度，因此我尝试使用 for 循环和示波器来实现相同的延迟:

void delay()
{
   for( int i=0; i<20; i++){ }
}

不走运，I2C 读取停止工作..

然后我决定将 LED 切换到另一个 PIN，并完全保留 PB1，看看它是否与延迟相关或与引脚/电路相关:

void delay()
{
    LED_ON();
    LED_OFF();
}

void LED_ON( void )
{
    PORTB |= 0b00001000; // PB3
}


void LED_OFF( void )
{
    PORTB &= 0b11110111; // PB3
}

奇怪的是，I2C 又停止工作了!仅当我将 PB1 设置为高/低时才有效。我仍然不明白我是否只是碰巧确定了所需的完美延迟，并且恰好是打开 PB1 比打开 PB3 花费的时间更少，或者它与电路本身和 LED 进行某种拉动有关I2C 上的上/下拉功能(请原谅我的无知，我是初学者)，但 PB1 根本没有连接到 I2C 线。

谁能解释一下为什么它只在我打开/关闭 PB1 时才起作用，而不是进行真正的延迟？谢谢!

完整来源:

#define PORT_SDA PB0
#define PORT_SCL PB2

#define SIGNAL_HIGH(PORT) PORTB |=  ( 1 << PORT )
#define SIGNAL_LOW(PORT)  PORTB &= ~( 1 << PORT )

void delay();
void LED_ON(void);
void LED_OFF(void);

void i2c_init(void);
void i2c_start(void);
char i2c_read(void);
void i2c_stop(void);
void i2c_nack(void);
void i2c_ack(void);
void i2c_ack_slave(void);
void i2c_write(uint8_t byte);

void i2c_init()
{
    DDRB = 0b00000010; // TODO: should be removed once the weird delay issue is solved
    DDRB |= ( 1 << PORT_SDA );
    DDRB |= ( 1 << PORT_SCL );
}

void i2c_start( void )
{
    SIGNAL_LOW(  PORT_SCL );
    SIGNAL_HIGH( PORT_SDA );
    SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
    SIGNAL_LOW(  PORT_SDA );
    SIGNAL_LOW(  PORT_SCL );
}

void i2c_stop( void )
{
    SIGNAL_LOW(  PORT_SCL );
    SIGNAL_LOW(  PORT_SDA );
    SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
    SIGNAL_HIGH( PORT_SDA );
}

void i2c_ack(void)
{
   SIGNAL_LOW(  PORT_SDA );
   SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
   SIGNAL_LOW(  PORT_SCL );
   SIGNAL_HIGH( PORT_SDA );
}

void i2c_nack(void)
{
   SIGNAL_HIGH( PORT_SDA );
   SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
   SIGNAL_LOW(  PORT_SCL );
}

void i2c_ack_slave(void)
{
    SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
    SIGNAL_LOW( PORT_SCL );
}

void i2c_write(uint8_t byte)
{
    uint8_t bit;

    for ( bit = 0; bit < 0x08; bit++ )
    {
        if( ( byte << bit ) & 0x80 )
            SIGNAL_HIGH( PORT_SDA );
        else
            SIGNAL_LOW( PORT_SDA );

        SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );
        SIGNAL_LOW( PORT_SCL );
    }

    // Clear both lines (needed?)
    SIGNAL_LOW( PORT_SCL );
    SIGNAL_LOW( PORT_SDA );

    i2c_ack();
}

char i2c_read(void)
{
    uint8_t B = 0;
    DDRB &= 0b11111110; // switch PB0 to input

    for ( int bit = 0; bit < 0x08; bit++ )
    {        
        delay(); // <-- the root of all evil

        SIGNAL_HIGH( PORT_SCL );

        B <<= 1;

        if( PINB & (1 << PB0 ) )
        {
            B |= 1;              
        } 
        else
        {
            B |= 0;              
        }

        SIGNAL_LOW( PORT_SCL );
    }

    DDRB |= 0b00000001; // switch PB0 as output

    i2c_nack();

    return B;
}


void delay()
{
    LED_ON();
    LED_OFF();
}


void LED_ON( void )
{
    PORTB |= 0b00000010;
}


void LED_OFF( void )
{
    PORTB &= 0b11111101;
}

Answer 1

I2c 定义了许多信号的最小时序 - 这里重要的是 SCL 的高电平和低电平时间 - 在允许下一次转换到相反状态之前 SCL 应保持稳定的时间量。这些时序通常约为 5μs，准确的数字应从数据表中获取。

read 循环末尾的循环需要 2 到 3 条指令，具体取决于编译器的操作。一条 AVR 指令，根据您的时钟速率，大约需要大约 200ns，因此(没有延迟)SCL 处于低电平大约 600ns，给予或采取 - 这太短了，至少对于您的特定“其他终端设备来说显然如此” ”。

当您在被调用函数中插入函数调用和端口访问时，您插入了足够的指令以使 SCL 保持低电平足够长的时间以正常工作。

在您的代码中，高电平时间并不是什么大问题，因为您让 AVR 在 SCL 为高电平时执行更多指令 - 显然，有足够的时间让 SCL 保持高电平足够长的时间。

您在延迟函数中切换端口引脚的事实与此无关 - 唯一相关的是您需要在 SCL 为低电平时花费一些时间。显然，您当前所做的只是花费一些时间等待，这是浪费端口引脚 - 使用延迟而不是延迟进行实验。但请检查“另一端”数据表以了解所需的确切时间，4-5μs 应该没问题。

为什么你的延迟循环不起作用？它很可能被编译器优化掉，编译器认识到您没有在该空循环中执行相关操作。

理想情况下，您应该尝试在 SCL 的高电平阶段中间读取 SDA - 带有 8 位的展开循环和一些 delay_us 传播，这样应该可以完美工作。