Linux应用开发基础知识——I2C应用编程(十二)

前言：

I2C（Inter-Integrated Circuit BUS）是集成电路总线，是目前应用最广泛的总线之一，最初由PHILIPS（现为NXP）设计。它使用多主从架构，主要用于连接低速周边设备。I2C总线在硬件物理层包括两条线：一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）。所有设备都连接在这两条线上。I2C协议在物理层之上添加了协议层，定义了通信的规则和过程。I2C通信过程可以类比为体育老师和学生之间的球类传递。老师（主设备）可以将球（数据）发送给学生（从设备），也可以从学生那里接收球。在接收到球后，学生应该向老师作出回应。这个过程可以对应到I2C通信中的数据传输和应答过程。I2C总线在传输数据时，需要主设备发送时钟信号，从设备在每个时钟脉冲的上升沿或下降沿发送或接收一位数据。

一、I2C 硬件框架

在一个芯片(SoC)内部，有一个或多个 I2C 控制器

在一个 I2C 控制器上，可以连接一个或多个 I2C 设备

I2C 总线只需要 2 条线：时钟线 SCL、数据线 SDA

在 I2C 总线的 SCL、SDA 线上，都有上拉电阻

二、I2C 软件框架

 以 I2C 接口的存储设备 AT24C02 为例：

APP：

         提出要求：把字符串"www.100ask.net"写入 AT24C02 地址 16 开始的 地方

         它是大爷，不关心底层实现的细节

         它只需要调用设备驱动程序提供的接口

AT24C02 驱动：

          它知道 AT24C02 要求的地址、数据格式

          它知道发出什么信号才能让 AT24C02 执行擦除、烧写工作

          它知道怎么判断数据是否烧写成功

          它构造好一系列的数据，发给 I2C 控制器

I2C 控制器驱动：

         它根据 I2C 协议发出各类信号：I2C 设备地址、I2C 存储地址、数据

         它根据 I2C 协议判断

三、I2C协议：

1.硬件连接：

        I2C 在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线 SCL,SDA 线，在一条 I2C 总线上可以接很多 I2C 设备，我们还会放一个上拉电阻。

 2.传输数据类比

        怎么通过 I2C 传输数据，我们需要把数据从主设备发送到从设备上去，也需要把数据从设备传送到主设备上去，数据涉及到双向传输。

体育老师：可以把球发给学生，也可以把球从学生中接过来。

发球：

        老师：开始了(start)

        老师：A！我要发球给你！(地址/方向)

        学生 A：到！(回应)

        老师把球发出去（传输）

        A 收到球之后，应该告诉老师一声（回应）

        老师：结束（停止）

接球：

        老师：开始了(start)

        老师：B！把球发给我！(地址/方向)

        学生 B：到！

        B 把球发给老师（传输）

        老师收到球之后，给 B 说一声，表示收到球了（回应）

        老师：结束（停止）

我们就使用这个简单的例子，来解释一下 IIC 的传输协议：

老师说开始了，表示开始信号(start)

老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)

老师发球/接球，表示数据的传输

收到球要回应：回应信号(ACK)

老师说结束，表示 IIC 传输结束(P)

3. IIC 传输数据的格式

(1)写操作

主芯片要发出一个 start 信号

然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0 表示写，1 表示读)

从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应

每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

(2)读操作

主芯片要发出一个 start 信号

然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0 表示写，1 表示读)

从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据

从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应

每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。

数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主" 

(3).I2C 信号

        I2C 协议中数据传输的单位是字节，也就是 8 位。但是要用到 9 个时钟：前面 8 个时钟用来传输 8 数据，第 9 个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。

开始信号（S）：SCL 为高电平时，SDA 山高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号（P）：SCL 为高电平时，SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

响应信号(ACK)：接收器在接收到 8 位数据后，在第 9 个时钟周期，拉低 SDA

SDA 上传输的数据必须在 SCL 为高电平期间保持稳定，SDA 上的数据只能在 SCL 为低电平期间变化

I2C 协议信号如下：

        在SCL低电平状态下改变SDA，在SCL高电平状态下保持SDA。

 (4).协议细节

1) 如何在 SDA 上实现双向传输？

        主芯片通过一根 SDA 线既可以把数据发给从设备，也可以从 SDA 上读取数据，连接 SDA 线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。

2) 主、从设备都可以通过 SDA 发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？

在9 个时钟里：

        前 8 个时钟由主设备发送数据的话，第 9 个时钟就由从设备发送数据。

        前 8 个时钟由从设备发送数据的话，第 9 个时钟就由主设备发送数据。

3) 双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响 SDA 上的数据？

        设备的 SDA 中有一个三极管，使用开极/开漏电路(三极管是开极，CMOS 管是开漏，作用一样)。如果主机发送1，从机因为某些错误发送了0，则会出现短路的状况，容易烧起来。

这里我们就需要运用到规范钟：

  

        外加一个上拉电阻有效的避免了短路烧毁电路情况的发生。

        当某一个芯片不想影响 SDA 线时，那就不驱动这个三极管

        想让 SDA 输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA 通过上拉电阻变为高电平)

        想让 SDA 输出低电平，就驱动三极管

例子：

主设备发送（8bit）给从设备

        前 8 个 clk

        从设备不要影响 SDA，从设备不驱动三极管

        主设备决定数据，主设备要发送 1 时不驱动三极管，要发送 0 时驱动三极管

        第 9 个 clk，由从设备决定数据

        主设备不驱动三极管

        从设备决定数据，要发出回应信号的话，就驱动三极管让 SDA 变为 0

为何 SCL 也要使用上拉电阻？ 

        在第 9 个时钟之后，如果有某一方需要更多的 时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把 SCL 拉低。

        当 SCL 为低电平时候，大家都不应该使用 IIC 总线，只有当 SCL 从低电平变为高电平的时候，IIC 总线才能被使用。

        当它就绪后，就可以不再驱动三极管，这是上拉电阻把 SCL 变为高电平，其 他设备就可以继续使用 I2C 总线了。

四、SMBus 协议

1. SMBus 是 I2C 协议的一个子集

SMBus: System Management Bus，系统管理总线。

SMBus 最初的目的是为智能电池、充电电池、其他微控制器之间的通信链路而定义的。

SMBus 也被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM 通讯 设备等等。

SMBus 为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus 的系统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。

SMBus 是基于 I2C 协议的，SMBus 要求更严格，SMBus 是 I2C 协议的子集。

SMBus 有哪些更严格的要求？跟一般的 I2C 协议有哪些差别？

VDD 的极限值不一样

         I2C 协议：范围很广，甚至讨论了高达 12V 的情况

         SMBus：1.8V~5V

最小时钟频率、最大的 Clock Stretching

         Clock Stretching 含义：某个设备需要更多时间进行内部的处理时， 它可以把 SCL 拉低占住 I2C 总线,也可以叫做时钟延长。

         I2C 协议：时钟频率最小值无限制，Clock Stretching 时长也没有 限制

         SMBus：时钟频率最小值是 10KHz，Clock Stretching 的最大时间值 也有限制

地址回应(Address Acknowledge)：

一个 I2C 设备接收到它的设备地址后， 是否必须发出回应信号？

         I2C 协议：没有强制要求必须发出回应信号

         SMBus：强制要求必须发出回应信号，这样对方才知道该设备的状态： busy，failed，或是被移除了

SMBus 协议明确了数据的传输格式

         I2C 协议：它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义

         SMBus：定义了几种数据格式(后面分析)

REPEATED START Condition(重复发出 S 信号)

        比如读 EEPROM 时，涉及 2 个操作： （1）把存储地址发给设备 （2）读数据

在写、读之间，可以不发出 P 信号，而是直接发出 S 信号：这个 S 信号就是 REPEATED START，如图所示

SMBus Low Power Version：SMBus 也有低功耗的版本 

2.SMBus 协议分析 

        对于 I2C 协议，它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式， 这完全由设备来定义。

        对于 SMBus 协议，它定义了几种数据格式。

注意：下面文档中的 Functionality flag 是 Linux 的某个 I2C 控制器驱动所支持的功能。比如 Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK，表示需要 I2C 控制器支持 SMBus Quick Command。

（1）symbols(符号)

S (1 bit) : Start bit(开始位)
Sr (1 bit) : 重复的开始位
P (1 bit) : Stop bit(停止位)
R/W# (1 bit) : Read/Write bit. Rd equals 1, Wr equals 0.(读写位)
A, N (1 bit) : Accept and reverse accept bit.(回应位)
Address(7 bits): I2C 7 bit address. Note that this can be expanded as usual to
                 get a 10 bit I2C address.
                 (地址位，7 位地址)
Command Code (8 bits): Command byte, a data byte which often selects a register on
                 the device.
                 (命令字节，一般用来选择芯片内部的寄存器)
Data Byte (8 bits): A plain data byte. Sometimes, I write DataLow, DataHigh
                 for 16 bit data.
                 (数据字节，8 位；如果是 16 位数据的话，用 2 个字节来表示：DataLow、DataHigh)
Count (8 bits): A data byte containing the length of a block operation.
                 (在 block 操作总，表示数据长度)
[..]: Data sent by I2C device, as opposed to data sent by the host
                 adapter.
                 (中括号表示 I2C 设备发送的数据，没有中括号表示 host adapter 发送的数据)

（2）SMBus Quick Command

        只是用来发送一位数据：R/W#本意是用来表示读或写，但是在 SMBus 里可以用来表示其他含义。比如某些开关设备，可以根据这一位来决定是打开还是关闭。 

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK

（3）SMBus Receive Byte 

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_byte()。读取一个字节，Host adapter 接收到一个字节后不需要发出回应信号(上图中 N 表示不回应)。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE

 （4）SMBus Send Byte

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_write_byte()。发送一个字节。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE

（5）SMBus Read Byte 

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_byte_data()。先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再读取一个字节的数据。上面介绍的 SMBus Receive Byte 是不发送 Comand，直接读取数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA

（6）SMBus Read Word

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_word_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再读取 2 个字节的数据。 

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_WORD_DATA

 （7）SMBus Write Byte

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_write_byte_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出 1 个字节的数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE_DATA

（8）SMBus Write Word

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_write_word_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出 1 个字节的数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_WORD_DATA

（9）SMBus Block Read

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_block_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发起度操作：

         先读到一个字节(Block Count)，表示后续要读的字节数

         然后读取全部数据 

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

（10）SMBus Block Write

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_write_block_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出 1 个字节的 Byte Conut(表 示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据。 

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BLOCK_DATA

（11）I2C Block Read

        在一般的 I2C 协议中，也可以连续读出多个字节。它跟 SMBus Block Read 的差别在于设备发出的第 1 个数据不是长度 N，如下图所示：

        I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_read_i2c_block_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出 1 个字节的 Byte Conut(表示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_I2C_BLOCK

（12）I2C Block Write

        在一般的 I2C 协议中，也可以连续发出多个字节。它跟 SMBus Block Write 的差别在于发出的第 1 个数据不是长度 N，如下图所示：

         I2C-tools 中的函数：i2c_smbus_write_i2c_block_data()。先发出 Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址)，再发出 1 个字节的 Byte Conut(表示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK

（13）SMBus Block Write - Block Read Process Call

        先写一块数据，再读一块数据。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL

（14）Packet Error Checking (PEC)

        PEC 是一种错误校验码，如果使用 PEC，那么在 P 信号之前，数据发送方要 发送一个字节的 PEC 码(它是 CRC-8 码)。以 SMBus Send Byte 为例，下图中，一个未使用 PEC，另一个使用 PEC：

3.SMBus 和 I2C 的建议 

        因为很多设备都实现了 SMBus，而不是更宽泛的 I2C 协议，所以优先使用 SMBus。即使 I2C 控制器没有实现 SMBus，软件方面也是可以使用 I2C 协议来模拟 SMBus。所以：Linux 建议优先使用 SMBus。