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I2C总线协议及应用

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我是靠谱客的博主 雪白大山，最近开发中收集的这篇文章主要介绍I2C总线协议及应用，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述


概述：

    I2C总线（I2C bus，Inter-IC bus）是一个双向的两线连续总线，提供集成电路（ICs）之间的通信线路。I2C总线是一种串行扩展技 术，最早由Philips公司推出，广泛应用于电视，录像机和音频等设备。I2C总线的意思：“完成集成电路或功能单元之间信息交换的规范或协议”。Philips公司推出的I2C总线采用一条数据线（SDA），加一条时钟线（SCL）来完成数据的传输及外围器件的扩展；对各个节点的寻址是软寻址方式，节省了片选线，标准的寻址字节SLAM为7位，可以寻址127个单元。

　　

　I2C总线支持三种数据传输速度： 标准，快速模式和高速模式。

    标准模式是100Kbps。

    快速模式为400Kbps。

    高速模式支持快至3.4Mbps的速度。

    所有的与次之传输速度的模式都是兼容的。I2C总线支持7位和10位地址空间设备和在不同电压下运行的设备。


1.I2C协议

   2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。
   SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
   支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。
   总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0.
   系统中可能有多个同种芯片，为此addr分为固定部分和可编程部份，细节视芯片而定，看datasheet。

1.1 I2C位传输
   数据传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit；
   若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束（后面讲）
   数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit
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  1.2 I2C开始和结束信号
    开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
   结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

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1.3 I2C应答信号

   Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
   即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
   若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程，如下所示：
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  1.4 I2C写流程
写寄存器的标准流程为：
1.    Master发起START
2.    Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3.    Slave发送ACK
4.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5.    Slave发送ACK
6.    Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.    第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9.    Master发起STOP

写一个寄存器
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  写多个寄存器
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  1.5 I2C读流程

读寄存器的标准流程为：
1.    Master发送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2.    Slave发送ACK
3.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
4.    Slave发送ACK
5.    Master发起START
6.    Master发送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.    Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
9.    Master发送ACK
10.    第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

读一个寄存器
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  读多个寄存器
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  2. PowerPC的I2C实现

Mpc8560的CCSR中控制I2C的寄存器共有6个。

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2.1 I2CADR 地址寄存器

CPU也可以是I2C的Slave，CPU的I2C地址有 I2CADR指定
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  2.2 I2CFDR 频率设置寄存器
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  The serial bit clock frequency of SCL is equal to the CCB clock divided by the divider.
用来设置I2C总线频率

2.3 I2CCR 控制寄存器
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MEN： Module Enable.    置1时，I2C模块使能
MIEN：Module Interrupt Enable. 置1时，I2C中断使能。
MSTA：Master/slave mode. 1 Master mode，0 Slave mode.
        当1->0时，CPU发起STOP信号
        当0->1时，CPU发起START信号
MTX：Transmit/receive mode select.0 Receive mode，1 Transmit mode
TXAK：Transfer acknowledge. 置1时，CPU在9th clock发送ACK拉低SDA
RSTA：Repeat START. 置1时，CPU发送REPEAT START
BCST：置1，CPU接收广播信息（信息的slave addr为7个0）

2.4 I2CSR 状态寄存器
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  MCF：0  Byte transfer is in process
     1  Byte transfer is completed

MAAS：当CPU作为Slave时，若I2CDR与会话中Slaveaddr匹配，此bit被置1

MBB：0 I2C bus idle 
     1 I2C bus busy

MAL：若置1，表示仲裁失败
BCSTM：若置1，表示接收到广播信息

SRW：When MAAS is set, SRW indicates the value of the R/W command bit of the calling address, which is sent from the master.
   0 Slave receive, master writing to slave
   1 Slave transmit, master reading from slave

MIF：Module interrupt. The MIF bit is set when an interrupt is pending, causing a processor interrupt request(provided I2CCR[MIEN] is set)

RXAK：若置1，表示收到了ACK

2.5 I2CDR 数据寄存器
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这个寄存器储存CPU将要传输的数据。

3. PPC-Linux中I2C的实现
 
  内核代码中，通过I2C总线存取寄存器的函数都在文件drivers/i2c/busses/i2c-mpc.c中
  最重要的函数是mpc_xfer.
 
  2. static int mpc_xfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)
  3. {
  4.     struct i2c_msg *pmsg;
  5.     int i;
  6.     int ret = 0;
  7.     unsigned long orig_jiffies = jiffies;
  8.     struct mpc_i2c *i2c = i2c_get_adapdata(adap);

  10.     mpc_i2c_start(i2c);    // 设置I2CCR[MEN], 使能I2C module

  12.     /* Allow bus up to 1s to become not busy */
  13.     //一直读I2CSR[MBB]，等待I2C总线空闲下来
  14.     while (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MBB) {
  15.         if (signal_pending(current)) {
  16.             pr_debug("I2C: Interruptedn");
  17.             writeccr(i2c, 0);
  18.             return -EINTR;
  19.         }
  20.         if (time_after(jiffies, orig_jiffies + HZ)) {
  21.             pr_debug("I2C: timeoutn");
  22.             if (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) ==
  23.                 (CSR_MCF | CSR_MBB | CSR_RXAK))
  24.                 mpc_i2c_fixup(i2c);
  25.             return -EIO;
  26.         }
  27.         schedule();
  28.     }

  30.     for (i = 0; ret >= 0 && i < num; i++) {
  31.         pmsg = &msgs[i];
  32.         pr_debug("Doing %s %d bytes to 0x%02x - %d of %d messagesn",
  33.              pmsg->flags & I2C_M_RD ? "read" : "write",
  34.              pmsg->len, pmsg->addr, i + 1, num);
  35.         //根据消息里的flag进行读操作或写操作
  36.         if (pmsg->flags & I2C_M_RD)
  37.             ret = mpc_read(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
  38.         else
  39.             ret = mpc_write(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
  40.     }
  41.     mpc_i2c_stop(i2c);    //保证为I2CCSR[MSTA]为0，保证能触发STOP
  42.     return (ret < 0) ? ret : num;
  43. }
  2. static int mpc_write(struct mpc_i2c *i2c, int target,
  3.              const u8 * data, int length, int restart)
  4. {
  5.     int i;
  6.     unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
  7.     u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

  9.     /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能起来
  10.     if (!restart)
  11.         writeccr(i2c, CCR_MEN);
  12.     /* Start as master */       //写了I2CCR[CCR_MSTA]，触发CPU发起START信号
  13.     writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);
  14.     /* Write target byte */     //CPU发送一个字节，slave I2C addr和0 (写操作bit)
  15.     writeb((target << 1), i2c->base + MPC_I2C_DR);

  17.     if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)    //等待slave 发ACK
  18.         return -1;

  20.     for (i = 0; i < length; i++) {
  21.         /* Write data byte */
  22.         writeb(data[i], i2c->base + MPC_I2C_DR); //CPU接着发数据，包括reg addr和data

  24.         if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)       //等待slave 发ACK
  25.             return -1;
  26.     }

  28.     return 0;
  29. }
  2. static int i2c_wait(struct mpc_i2c *i2c, unsigned timeout, int writing)
  3. {
  4.     unsigned long orig_jiffies = jiffies;
  5.     u32 x;
  6.     int result = 0;

  8.     if (i2c->irq == 0)
  9.     {    //循环读I2CSR，直到I2CSR[MIF]置1
  10.         while (!(readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MIF)) {
  11.             schedule();
  12.             if (time_after(jiffies, orig_jiffies + timeout)) {
  13.                 pr_debug("I2C: timeoutn");
  14.                 writeccr(i2c, 0);
  15.                 result = -EIO;
  16.                 break;
  17.             }
  18.         }
  19.         x = readb(i2c->base + MPC_I2C_SR);
  20.         writeb(0, i2c->base + MPC_I2C_SR);
  21.     } else {
  22.         /* Interrupt mode */
  23.         result = wait_event_interruptible_timeout(i2c->queue,
  24.             (i2c->interrupt & CSR_MIF), timeout * HZ);

  26.         if (unlikely(result < 0)) {
  27.             pr_debug("I2C: wait interruptedn");
  28.             writeccr(i2c, 0);
  29.         } else if (unlikely(!(i2c->interrupt & CSR_MIF))) {
  30.             pr_debug("I2C: wait timeoutn");
  31.             writeccr(i2c, 0);
  32.             result = -ETIMEDOUT;
  33.         }

  35.         x = i2c->interrupt;
  36.         i2c->interrupt = 0;
  37.     }

  39.     if (result < 0)
  40.         return result;

  42.     if (!(x & CSR_MCF)) {
  43.         pr_debug("I2C: unfinishedn");
  44.         return -EIO;
  45.     }

  47.     if (x & CSR_MAL) {    //仲裁失败
  48.         pr_debug("I2C: MALn");
  49.         return -EIO;
  50.     }

  52.     if (writing && (x & CSR_RXAK)) {//写后没收到ACK
  53.         pr_debug("I2C: No RXAKn");
  54.         /* generate stop */
  55.         writeccr(i2c, CCR_MEN);
  56.         return -EIO;
  57.     }
  58.     return 0;
  59. }
  2. static int mpc_read(struct mpc_i2c *i2c, int target,
  3.             u8 * data, int length, int restart)
  4. {
  5.     unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
  6.     int i;
  7.     u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

  9.     /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能
  10.     if (!restart)
  11.         writeccr(i2c, CCR_MEN);
  12.     /* Switch to read - restart */
  13.     //注意这里，再次把CCR_MSTA置1，再触发 START
  14.     writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);


  17.     /* Write target address byte - this time with the read flag set */
  18.     //CPU发送slave I2C addr和读操作1
  19.     writeb((target << 1) | 1, i2c->base + MPC_I2C_DR);
     
     //等待Slave发ACK
  2.     if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)
  3.         return -1;

  5.     if (length) {
  6.         if (length == 1)
  7.             writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);
  8.         else //为什么不置 TXAK
  9.             writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA);
  10.         /* Dummy read */
  11.         readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
  12.     }

  14.     for (i = 0; i < length; i++) {
  15.         if (i2c_wait(i2c, timeout, 0) < 0)
  16.             return -1;

  18.         /* Generate txack on next to last byte */
  19.         //注意这里TXAK置1，表示CPU每收到1byte数据后，会发送ACK
  20.         if (i == length - 2)
  21.             writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);

  23.         /* Generate stop on last byte */
  24.         //注意这里CCR_MSTA [1->0] CPU会触发STOP
  25.         if (i == length - 1)    
  26.             writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_TXAK);

  28.         data[i] = readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
  29.     }

  31.     return length;
  32. }

文章来源：http://dpinglee.blog.163.com/blog/static/14409775320112239374615/

最后

以上就是雪白大山为你收集整理的I2C总线协议及应用的全部内容，希望文章能够帮你解决I2C总线协议及应用所遇到的程序开发问题。

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