Linux设备驱动程序架构分析之I2C Spec摘要

作者：刘昊昱 

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1、I2C总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit，内置集成电路）总线是由PHILIPS公司提出的一种串行总线，用于连接处理器及其外围设备，它具有如下特点：

l  只有两条总线线路：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。

l  每个连接到总线的器件都可以使用软件根据它的惟一的地址来识别。

l  传输数据的设备间是简单的主/从关系。

l  主机可以用作主机发送器或主机接收器。

l  它是一个真正的多主机总线，两个或多个主机同时发起数据传输时，可以通过冲突检测和仲裁来防止数据被破坏。

l  串行的8位双向数据传输，位速率在标准模式下可以达到100kbit/s，在快速模式下可达400kbit/s，在高速模式下可达3.4Mbit/s。

l  I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址位的限制。

基于微控制器的电路设计通常需要满足如下设计标准：

1.   一个完整的系统通常至少包括一个微控制器和其它一些外围设备，如内存，I/O扩展等。

2.   连接各种外围设备到系统所需的开销必须达到最小。

3.   执行控制功能的系统不需要很高的数据传输速率。

4.   系统整体性能取决于选择的外围设备和用于连接设备的总线的特性。

要设计一个满足以上要求的系统，一个串行总线结构是必须的。虽然串行总线的数据吞吐量不如并行总线，但是串行总线需要更少的线路并且占用更少的处理器引脚。然而，一个总线并不仅仅是连接线路，它包括与系统通信所需的所有的数据格式和协议。

串行总线上的设备进行通信必须遵守某些协议以避免出现数据混淆、丢失和阻塞。快速设备必须能够与慢速设备通信。整个系统必须不依赖于某个设备，否则就可能无法进行改动和升级。协议还应该能够决定哪个设备对总线进行控制和控制的时间。而且，如果具有不同时钟频率的设备连接到总线上，总线必须提供统一的时钟源。所有这些标准都包含在I2C总线规范中。

2、I2C总线的概念

I2C总线支持任意IC设计工艺的设备（NMOS、CMOS、bipolar）。使用两条线路在设备间传递信息，一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）。每个设备由一个唯一的地址标识，不管它是微控制器、LCD控制器、存储器还是键盘接口。根据设备的功能，每个设备即可以是数据的发送者，也可以是数据的接收者。显然LCD控制器只能是数据的接收者，而存储器则即可以数据的接收者，也可以是数据的发送者。除了数据的发送者和接收者，设备可以也区分为主设备和从设备。主设备发起数据传输。接收主设备发送的数据的设备是从设备。

表一：I2C总线术语

术语	描述
Transmitter 发送者	向I2C总线上发送数据的设备
Receiver    接收者	从I2C总线上接收数据的设备
Master      主设备	发起传输，产生时钟信号，结束传输的设备。
Slave       从设备	接收主设备发送的数据的设备
Multi-master 多主设备	多个主设备可以同时尝试取得总线控制权
Arbitration  仲裁器	当多个主设备同时要求传输数据时，用来仲裁哪个主设备获得总线控制权的过程。
Synchronization 同步	同步多个设备的时钟信号的过程

I2C总线是多主设备总线，因为主设备通常是微控制器，所以我们来考虑连接两个微控制器的I2C总线数据传输的例子，如下图所示：

这个例子强调I2C总线上的主设备/从设备和发送者/接收者关系，需要注意的是这种关系并不是固定不变的，而是依赖于某一时刻数据传输的方向。传输数据的流程如下：

1）如果微控制器A想要发送数据给微控制器B：

微控制器A(master)，探测(addresses)微控制器B(slave)

微控制器A(master-transmitter)，发送数据到微控制器B(slave-receiver)

微控制器A结束数据传输。

2）如果微控制器A想要从微控制器B接收数据：

微控制器A(master)，探测(addresses)微控制器B(slave)

微控制器A(master-receiver)从微控制器B(slave-transmitter)接收数据

微控制器A结束数据传输。

在这个例子中，master（即微控制器A）产生时钟信号，并结束传输。

因为I2C总线可以连接多个微控制器，所以可能出现多个master同时请求发起数据传输。为了避免可能由此引起的混乱，一种仲裁程序已经被开发出来。

I2C总线上的时钟信号总是由master设备产生。当在总线上传输数据时，每个master属于它自己的时钟信号。

3、I2C总线特征

SDA和SCL都是双向线，通过一个电源或上拉电阻连到到正电压上。如下图所示：

当总线空闲时，SDA和SCL都是高电平。

I2C总线在标准模式下传输速度可以达到100kbit/s，在快速模式下，可以达到400kbit/s，在高速模式下，可以达到3.4Mbit/s。

连接到I2C总线上的设备的数目仅仅依赖于总线最大电容为400pF的限制。

4、位传输

因为I2C总线可以连接不同类型的设备（CMOS、NMOS、bipolar），所以逻辑0和逻辑1对应的电平是不固定的，依赖于相应的VDD。

每个时钟脉冲对应一个数据位的传输。

4.1数据有效性

SDA上的电平在SCL为HIGH电平时必须保持稳定，此时SDA上的数据有效。SDA上的HIGH和LOW电平转换只能发生在SCL为LOW电平的情况下。如下图所示：

4.2 启动和停止状态

SCL为HIGH电平时，SDA上一个HIGH电平到LOW电平的转换代表启动状态。

SCL为HIGH电平时，SDA上一个LOW电平到HIGH电平的转换代表停止状态。

如下图所示：

启动和停止状态通常由master发出。

启动状态之后，I2C总线被认为进入busy状态。当停止状态后，I2C总线被认为进入空闲状态。

5、传输数据

5.1 字节格式

SDA上传输的字节必须是8位，每次传输可以传送的字节数没有限制。每个字节被传输后，要有一个应答位（ACK）。数据传输时，每个字节的最高有效位（MSB）先发。如果slave因为要完成其它工作（比如处理中断）而无法接收或发送一个完整的字节，它可以将SCL拉低强制master进入等待状态。当slave准备好接收或发送下一个字节时，释放SCL进入高电平，数据传输就可以继续进行了。如下图所示：

5.2 应答

每个字节传输结束后，接收者必须发出一个应答（ACK）信号。数据发送端在发送完一个字节的数据后，释放SDA（进入高电平状态）。数据接收端必须在应答时钟周期内拉低SDA，如下图所示：

当slave不能应答master对slave的寻址时，slave必须拉高SDA，此时，master可以发送一个停止信号中止这次传输，也可以再发送START信号重启传输。

如果一个slave-receiver应答了slave寻址，但是一段时间之后该slave不能继续接收数据，此时slave必须拉高SDA，master发出STOP信号中止传输或发出START信号重启传输。

如果数据接收者是master，当不再接收数据时，master不发出应答信号，通知slave发送端停止发送数据。slave必须释放SDA以允许master产生STOP信号中止传输或START信号重启传输。

6、仲裁和时钟产生

6.1 同步

在I2C总线传输数据时，master在SCL上产生它们自己的时钟。数据仅在SCL为HIGH电平时有效，因此，需要一个确定的时钟用来进行按位的仲裁。

时钟同步是通过线“与”连接I2C接口和SCL来执行的。也就是说，

7、7位地址格式

数据传输格式如下图所示：

在START状态之后，发送的是slave地址，这个地址是7位的。第8位表示数据传输方向，为0表示写，为1表示读。

数据传输通过master发出的STOP状态表示结束。但是，如果master还想继续与另外一个slave通信，则可以再发出START状态和另一个slave地址，而不用先发出STOP状态。这样，数据传输中就可能出现多种读写格式的组合，可能的数据传输格式有：

l  master发送数据到slave，数据传送方向不会发生改变。如下图所示：

l  master在发送完第一个字节寻址后从slave读数据。如下图所示：

当收到第一个应答信号后，master从发送者变为接收者，slave从接收者变为发送者。第一个应答信号仍然由slave发出。STOP状态由master发出，而且之前还要发送一个非应答信号。

l  复合格式如下图所示：

当传输方向改变时，必须重新发送START状态和slave地址，但是读/写位相反。如果一个master接收者要再发送START状态，它必须首先发送一个非应答信号。

8、7位寻址

I2C总线的寻址过程是：START状态后的第一个字节代表被master选中的slave的地址。但是“广播地址”是一个例外，它可以寻址所有的设备。理论上，当发出“广播地址”后，所有的设备都要进行应答，但是，设备可以被设置为忽略广播地址。广播地址的第二个字节定义了要执行的动作。

8.1 第一个字节的位定义

第一个字节的开始7位组成了slave的地址，如下图所示：

第8位是最低有效位（LSB），它决定了数据传输的方向。0代表master将向指定的slave写数据。1代表master将从选定的slave读数据。

当一个地址被发送后，连接到I2C总线上的所有设备都比较是否与自己的地址相匹配。如果匹配，设备认为自己被master选中，根据读/写位，作为发送者或接收者。

slave地址由两部分组成：固定位和可编程位。因为很可能有多个相同的设备连接到同一个I2C总线上，可编程位允许尽可能多的相同设备连接到同一个I2C总线上。设备地址的可编程位取决于设备的引脚数。例如，一个设备地址有4位固定位和3个可编程位，则最多有8个这种设备连接到同一I2C总线上。

I2C总线委员会协调I2C地址的分配。2组共8个地址（0000XXX和1111XXX）被保留，其用途如下表：