嵌入式知识-ARM裸机-学习笔记（11）：I2C总线通信

嵌入式知识-ARM裸机-学习笔记（11）：I2C总线通信

一、I2C总线

1. I2C总线简介

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。

2. I2C物理接口

物理接口：SCL + SDA（只需要用2根线就可以进行复杂的通信）
(1)SCL(serial clock)：时钟线，传输CLK信号，一般是I2C主设备向从设备提供时钟的通道。
(2)SDA(serial data): 数据线，通信数据都通过SDA线传输。

3. I2C通信特征

I2C通信是一种串行、同步、非差分、低速率的通信方式。
（1）串行：I2C属于串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输。
（2）同步：同步通信就是通信双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线传输A自己的时钟给B，B工作在A传输的时钟下。所以同步通信的显著特征就是：通信线中有CLK。
（3）非差分：因为I2C通信速率不高，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信。
（4）低速率：I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信，而且用来传输的数据量不大，所以本身通信速率很低（一般几百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具体在编程的时候要看自己所使用的设备允许的I2C通信最高速率，不能超过这个速率）。

主设备+从设备
I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接受主设备的通信，并及时响应。
谁是主设备、谁是从设备是由通信双方来定的（I2C协议并无规定），一般来说一个芯片可以只能做主设备、也可以只能做从设备、也可以既能当主设备又能当从设备（但是不能同时当两个）。

可以多个设备挂在一条总线上（从设备地址）
I2C通信可以一对一（1个主设备对1个从设备），也可以一对多（1个主设备对多个从设备）。
主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪个从设备通信。注意：同一时间内，I2C的总线上只能传输一对设备的通信信息，所以同一时间只能有一个从设备和主设备通信，其他从设备处于“冬眠”状态，不能出来捣乱，否则通信就乱套了。
每一个I2C从设备在通信中都有一个I2C从设备地址，这个设备地址是从设备本身固有的属性，然后通信时主设备需要知道自己将要通信的那个从设备的地址，然后在通信中通过地址来判断是不是自己要找的那个从设备。（这个地址是一个电路板上唯一的，不是全球唯一的）。

4. I2C总线通信时序

从字面意思解释，时序就是时间顺序，实际上在通信中时序就是通信线上按照时间顺序发生的电平变化，以及这些变化对通信的意义就叫时序。

I2C的总线空闲状态、起始位、结束位

I2C总线上有1个主设备，n（n>=1）个从设备。I2C总线上有2种状态；空闲态（所有从设备都未和主设备通信，此时总线空闲）和忙态（其中一个从设备在和主设备通信，此时总线被这一对占用，其他从设备必须歇着）。整个通信分为一个周期一个周期的，两个相邻的通信周期是空闲态。每一个通信周期由一个起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通信数据。

起始位并不是一个时间点，起始位是一个时间段，在这段时间内总线状态变化情况是：CLK线维持高电平，同时SDA线发生一个从高到低的下降沿。

与起始位相似，结束位也是一个时间段。在这段时间内总线状态变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA线发生一个从低到高的上升沿。

在起始位的下一个时钟的上升沿会发生一个数据的传输，必须在上升沿来临之前使其稳定。数据传输过程中，数据线从0变为1时，一定要在下一个上升沿来到之前完成。

5. I2C数据传输格式

每一个通信周期的发起和结束都是由主设备来做的，从设备只有被动的响应主设备，没法自己自发的去做任何事情。主设备在每个通信周期会先发8位的从设备地址（其实8位中只有7位是从设备地址，还有1位表示主设备下面要写入还是读出）到总线（主设备是以广播的形式发送的，只要是总线上的所有从设备其实都能收到这个信息）。然后总线上的每个从设备都能收到这个地址，并且收到地址后和自己的设备地址比较看是否相等。如果相等说明主设备本次通信就是给我说话，如果不想等说明这次通信与我无关，不用听了不管了。
发送方发送一段数据后，接收方需要回应一个ACK。这个响应本身只有1个bit位，不能携带有效信息，只能表示2个意思（要么表示收到数据，即有效响应；要么表示未收到数据，无效响应）。
在某一个通信时刻，主设备和从设备只能有一个在发（占用总线，也就是向总线写），另一个在收（从总线读）。如果在某个时间主设备和从设备都试图向总线写那就完蛋了，通信就乱套了。

下图为输出传输格式：

其中白色为主设备对从设备，灰色部分为从设备对主设备。
当写模式时的情况：首先由主设备发送一个起始信号，紧接着在下一个时钟上升沿来临时，将从设备的地址通过总线发送出去（其中7位为地址数据，1位表示写模式），总线上的各从设备接收到地址后与自己的地址相对比，如果对应则被选中，那么从设备会发送一个ACK信号告诉主设备准备完毕，主设备发送8 bit的数据，从设备接收到该数据后会发送一个ACK信号，之后由主设备发送停止信号标志着传输完成。
当读模式时的情况：首先由主设备发送一个起始信号，紧接着在下一个时钟上升沿来临时，将从设备的地址通过总线发送出去（其中7位为地址数据，1位表示读模式），总线上的各从设备接收到地址后与自己的地址相对比，如果对应则被选中，那么从设备会发送一个ACK信号告诉主设备准备完毕，然后从设备开始发送8bit的数据，主设备收到之后会发送一个ACK信号，然后再发送停止信号标志结束。

I2C通信时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。
起始位及其后的8个clk中都是主设备在发送（这设备掌控总线），此时从设备只能读取总线，通过读总线来得知主设备发给从设备的信息；然后到了第9周期，按照协议规定从设备需要发送ACK给主设备，所以此时主设备必须释放总线（主设备把总线置为高电平然后不要动，其实就类似于总线空闲状态），同时从设备试图拉低总线发出ACK。如果从设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高，这对主设备来说，意味着我没收到ACK，主设备就认为刚才给从设备发送的8字节不对（接收失败）。

二、S5PV210的I2C总线

1. I2C控制器

主从设备通信双方本质上是通过时序在工作，但是时序会比较复杂不利于SoC软件完成，于是乎解决方案是SoC内部内置了硬件的控制器来产生通信时序。这样我们写软件时只需要向控制器的寄存器中写入配置值即可，控制器会产生适当的时序在通信线上和对方通信。

（1）时钟来源是PCLK_PSYS（65MHz），经过内部2级分频最终得到I2C控制器的CLK。第一级分频是I2CCON的bit6，可以得到一个中间时钟I2CCLK（等于PCLK/16或者PCLK/512）；第二级分频是得到最终I2C控制器工作的时钟，以I2CCLK这个中间时钟为来源，分频系数为[1,16]，因为是4bit（相当于0~15加1）。最终要得到时钟是2级分频后的时钟，譬如一个可用的设置是：65000KHz/512/4=31KHz通信中这个CLK会通过SCL线传给从设备。
（2）I2C总线控制逻辑（前台代表是I2CCON、I2CSTAT这两个寄存器），主要负责产生I2C通信时序。实际编程中要发送起始位、停止位、接收ACK等都是通过这两个寄存器（背后所代表的电路模块）实现的。
（3）移位寄存器（shift register），将代码中要发送的字节数据，通过移位寄存器变成1个位一个位的丢给SDA线上去发送/接收。
地址寄存器+比较器。本I2C控制器做从设备的时候用。
（4）I2CADD：用来写自己的slave address。
（5）I2CDS：发送/接收的数据都放在这里。

2. 总线通信流程

主设备收/发模式


这里要补充一点：就是在发送8bit地址数据时，其实是7bit地址+1bit的方向。
举个例子：
KXTE9的I2C地址固定为0b0001111，I2C从设备地址本身是7位的，但是在I2C通信中发送I2C从设备地址时实际发送的是8位，这8位中高7位（bit7-bit1）对应I2C从设备的7位地址，最低一位（LSB）存放的是R/W信息（就是说下一个数据是主设备写从设备读（对应0），还是主设备读从设备写（对应1））。因此，对于KXTE9来说，主设备（SoC）发给gsensor信息时，SAD应该是：0b00011110(0x1E)，而主设备读取gsensor信息时，则应该是0b00011111（0x1F）。