嵌入式Linux裸机开发（十三）——I2C通信

Posted 2020-07-24

嵌入式Linux裸机开发（十三）——I2C通信

一、IIC协议

1、IIC总线简介

    I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线是一种串行数据总线，只有二根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。在 I2C总线上传送的一个数据字节由八位组成。总线对每次传送的字节数没有限制，但每个字节后必须跟一位应答位。

    IIC总线是一种串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，具有以下特点：

    A、两条总线线路：一条串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL）

    B、每个连接到总线的器件有唯一的地址（开发板内唯一）

    C、传输数据的设备间是简单的主从关系

    D、主机可以用作主机发送器或主机接收器

    E、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方式数据被破坏

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

    G、片上的滤波器可以增加干扰功能，保证数据的完整

    H、连接到同一总线上的IC数量受到总线最大电容的限制

2、IIC总线结构

发送器：发送数据到总线的器件

接收器：从总线接收数据的器件

主机：发起/停止数据传输、提供时钟信号的器件

从机：被主机寻址的器件

多主机：可以有多个主机试图去控制总线，但是不会破坏数据

仲裁：当多个主机试图去控制总线时，通过仲裁可以使得只有一个主机获得总线控制权，并且它传输的信息不会被破坏

同步：多个器件同步时钟信号的过程

    I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

    每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。

     在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。

    数据位的有效性规定：

    I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

二、通信时序

通信时序是通信线按照时间顺序发生的电平变化。

1、IIC总线信号类型

    IIC总线在传送数据过程中共有3种类型信号：开始信号、结束信号和响应信号

    A、开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，表示起始信号，开始传送数据

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

    C、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电平。即接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传 递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。 

    始信号S和结束信号P

    起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。

     连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次。  

    接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成 低电平，从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。

2、IIC总线数据传输格式

    发送到SDA线上的每个字节必须是8位的，每次传输可以发送的字节数量不受限制。每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。 

    如果从机要完成一些其他功能后才能继续接收或发送，从机可以拉低SCL迫使主机进入等待状态。当从机准备好接收并释放SCL后，数据继续传输。如果主机在传输数据期间也需要完成一些其他功能叶可以拉低SCL以占住总线。

    启动一个传输时，主机先发出S信号，然后发出8位数据。前7位为从机地址，第8位表示传输方向（0表示写操作，1表示读操作）。被选中的从机发出响应信号。跟着传输一系列字节及响应位。最后，主机发出P信号结束。

    由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

    如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

    当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

    下列三种情况不会有ACK信号：

    A、当从机不能响应从机地址时（从机忙于其他事无法响应IIC总线操作或这个地址没有对应从机），在第9个SCL周期内SDA线没有被拉低，即没有ACK信号。这时，主机发送一个P信号终止传输或者重新发送一个S信号开始新的传输

    B、从机接收器在传输过程中不能接收更多的数据时，也不会发出ACK信号。主机意识到这点，从而发出一个P信号终止传输或者从新发送一个S信号开始新的传输

    C、主机接收器在接收到最后一个字节时，也不会发出ACK信号，于是，从机发送器释放SDA线，允许主机发送P信号结束传输

    数据帧格式

    I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

 在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。每 次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。 

    在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：

    A、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。

    A表示应答， A表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。

    B、主机在第一个字节后，立即由从机读数据

    C、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。

二、IIC控制器

IIC控制器：

时钟源：PCLK_PSYS

总线控制逻辑单元：产生IIC通信时序（设置I2CCON、I2CSTAT）

移位寄存器：将数据1bit移位到SDA线

比较器+地址寄存器：作为从设备使用时将收到的地址与地址寄存器地址比较。

I2CCON：时钟配置

I2CSTAT：操作模式及条件位发送

I2CADD：IIC地址

I2CDS：数据移位器

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