i2c通信的詳細(xì)講解

　　什么是I2C 通信

　　（1）I2C屬于串行通信，所有的數(shù)據(jù)以位為單位在SDA上串行傳輸

　　（2）同步通信就是通信雙方工作在同一個(gè)時(shí)鐘下面，一般是通信的A方通過一根CLK線傳輸A自己的時(shí)鐘給B，B工作在A傳輸?shù)臅r(shí)鐘下。所以通信的顯著特征就是：通信中有CLK

　?。?）非差分：因?yàn)镮2C的通信速率不高，所以使用電平信號(hào)通信，而且通信雙方距離很近，所以使用電平信號(hào)通信

　　（4）低速率：I2C一般是用在同一個(gè)板子上的兩個(gè)IC之間的通信，而且用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不大，所以本身通信速率很低（一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體編程的時(shí)候要看自己所使用的設(shè)備所允許I2C的最高通信速率，不能超過這個(gè)速率）

　　突出特征1：主設(shè)備+從設(shè)備

　?。?）I2C通信的時(shí)候，通信雙方地位是不對(duì)等的，而是分為主設(shè)備和從設(shè)備。通信由主設(shè)備發(fā)起，由主設(shè)備主導(dǎo)，從設(shè)備只是按照I2C協(xié)議被動(dòng)的接收主設(shè)備的通信，并及時(shí)響應(yīng)。

　?。?）誰是主設(shè)備，誰是從設(shè)備是由我們通信雙方來定的，I2C協(xié)議并沒有規(guī)定，一般來說一個(gè)芯片可以只做主設(shè)備，也可以只做從設(shè)備，也可以既當(dāng)主設(shè)備，也當(dāng)從設(shè)備。

　　突出設(shè)備2：可以多個(gè)設(shè)備同時(shí)掛在一條總線上（從設(shè)備地址）

　?。?）I2C通信可以一對(duì)一（一個(gè)主設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)從設(shè)備），也可以一對(duì)多（一個(gè)主設(shè)備對(duì)應(yīng)多個(gè)從設(shè)備）

　?。?）主設(shè)備來負(fù)責(zé)調(diào)度總線，決定某一時(shí)間和哪個(gè)設(shè)備從設(shè)備通信，注意：同一時(shí)間內(nèi)，I2C總線只能傳輸一對(duì)設(shè)備的通用信息。所以同一時(shí)間內(nèi)，只能有一個(gè)從設(shè)備和主設(shè)備通信，而其他從設(shè)備處于“”“冬眠”狀態(tài)，不能出來搗亂，否則通信就會(huì)亂套。

　　（3）每一個(gè)I2C從設(shè)備在通信中都會(huì)有一個(gè)I2C設(shè)備地址，這個(gè)設(shè)備地址是從設(shè)備本身固有的屬性，然后通信時(shí)，主設(shè)備需要知道自己將要通信的那個(gè)設(shè)備的地址，然后在通信中通過地址來甄別是不是自己要找的那個(gè)從設(shè)備。（這個(gè)地址是一個(gè)電路板上唯一的，不是全球唯一的）

　　主要用途：SoC和周邊設(shè)外設(shè)之間的通信（典型的如EEPROM、電容式觸摸屏、各種sensor）

　　由I2C學(xué)通信時(shí)序

　　什么是時(shí)序？

　　時(shí)序：字面意思，時(shí)序就是時(shí)間順序，實(shí)際上通信中的時(shí)序就是通信線上按照時(shí)間順序發(fā)生的電平變化，以及這些變化對(duì)通信的意義就叫做時(shí)序。

　　I2C的總線空閑狀態(tài)、起始位、結(jié)束位？

　?。?）I2C總線上有一個(gè)主設(shè)備，n（n》=1）個(gè)從設(shè)備。I2C總線上有兩種狀態(tài)，空閑態(tài)（所有設(shè)備都未和主設(shè)備通信，此時(shí)總線空閑）和忙狀態(tài)（其中一個(gè)從設(shè)備在和主設(shè)備通信，此時(shí)總線被這一對(duì)占用，其他從設(shè)備必須歇著

　?。?）整個(gè)通信周期分為一個(gè)周期一個(gè)周期的，兩個(gè)相鄰的通信周期是空閑態(tài)。每一個(gè)通信周期由起始位開始，一個(gè)結(jié)束位結(jié)束，中間是本周期的通信數(shù)據(jù)。

　　（3）起始位不是一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，而是一個(gè)時(shí)間段。這段時(shí)間的總線狀態(tài)的變化情況是：SCL線維持高電平，同時(shí)SDA線發(fā)生一個(gè)從高到低的下降沿。

　?。?）與起始位相似，結(jié)束位是一個(gè)時(shí)間段，在這段時(shí)間內(nèi)總線的變化情況是：SCL線維持高電平，同時(shí)SDA線發(fā)生一個(gè)低到高的上升沿。

　　I2C數(shù)據(jù)傳輸格式（數(shù)據(jù)位&ACK）：

　　（1）每一個(gè)通信周期的發(fā)起和結(jié)束都是由主設(shè)備來做，從設(shè)備只有被動(dòng)的相應(yīng)主設(shè)備，沒法自己自發(fā)的去做任何事情。

　　（2）主設(shè)備在每個(gè)通信周期會(huì)先發(fā)8位的從設(shè)備地址（其實(shí)8位中只有7位是從設(shè)備地址，還有一位表示主設(shè)備下面是要寫入還是讀出）到總線（主設(shè)備是以廣播的形式發(fā)送，總線上的所有的從設(shè)備都能收到這個(gè)廣播），然后總線上的每個(gè)從設(shè)備都能收到這個(gè)地址，并且收到這個(gè)地址后，和自己的設(shè)備地址相比較看是否相等。如果相等說明主設(shè)備本次通信就是給我說話，如果不想等就說明本次通信與我無關(guān)，不用聽不同管了。

　?。?）發(fā)送方在發(fā)送了一段數(shù)據(jù)后，接收方需要回應(yīng)一個(gè)bit位，不能攜帶有效信息。只能表示2個(gè)意思（要么表示收到數(shù)據(jù)，即有效響應(yīng)，要么表示未接到數(shù)據(jù)，即無效響應(yīng)）

　?。?）在某一個(gè)通信時(shí)刻，主設(shè)備和從設(shè)備只能有一個(gè)在發(fā)（占用總線，向總線寫），另一個(gè)一個(gè)在收（從總線讀），如果主設(shè)備和從設(shè)備都試圖向總線寫，那就完蛋了，通信就亂套了。

　　數(shù)據(jù)在總線上的傳輸協(xié)議：

　　（1）I2C通信時(shí)的基本數(shù)據(jù)單位也是以字節(jié)為單位的，每次傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)都是一個(gè)字節(jié)（8位）。

　?。?）起始位及其后的8個(gè)clock中都是主設(shè)備在發(fā)送（這設(shè)備掌控總線），此時(shí)從設(shè)備只能讀取總線，通過讀取總線來得知主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的信息，然后到了第9個(gè)字節(jié)，按照協(xié)議規(guī)定，從設(shè)備需要發(fā)送ACK給主設(shè)備，所以這設(shè)備必須釋放總線（這設(shè)備把總線置為高電平，不要?jiǎng)悠鋵?shí)就類似于總線空閑狀態(tài)），同時(shí)從設(shè)備試圖拉低總線發(fā)出ACK。如果從設(shè)備拉低總線失敗，或者從設(shè)備根本沒有拉低總線，則主設(shè)備看到的現(xiàn)象就是總線在第9周期仍然一直保持高電平，這對(duì)于主設(shè)備來說，意味著我沒收到ACK信號(hào)，主設(shè)備就會(huì)認(rèn)為我剛剛發(fā)送的8字節(jié)不對(duì)（接收失?。?。

　　S5PV210的I2C控制器：

　　通信雙方本質(zhì)上是通過時(shí)序工作，但是時(shí)序比較復(fù)雜，不利于SoC軟件完成，因此，解決方案是SoC內(nèi)部?jī)?nèi)置了硬件的控制器來產(chǎn)生通信時(shí)序，這樣我們寫軟件時(shí)，只需要向控制器中寫入配置值即可，控制器會(huì)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)序在通信線上和對(duì)方通信。

　　結(jié)構(gòu)框圖：

　?。?）時(shí)鐘部分，時(shí)鐘來源是PCLK_PSYS，經(jīng)過內(nèi)部分頻最終得到I2C控制器的CLK，通信中這個(gè)CLK會(huì)通過SCL線傳給從設(shè)備

　?。?）I2C總線控制邏輯（前臺(tái)代表是I2CCON、I2CSTAT這兩個(gè)寄存器），主要負(fù)責(zé)I2C通信時(shí)序。實(shí)際編程中要發(fā)送起始位、停止位。ACK等都是通過這兩個(gè)寄存器（背后所代表電路模塊）實(shí)現(xiàn)的。

　?。?）移位寄存器（shift regeist），將代碼中要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)，通過寄存器變成一個(gè)位一個(gè)位的丟給SDA線上去發(fā)送/接收。學(xué)過數(shù)字電路的同學(xué)應(yīng)該對(duì)寄存器不陌生

　?。?）地址寄存器+比較器。本I2C控制器做從設(shè)備的時(shí)候用。

　　系統(tǒng)分析I2C的時(shí)鐘：

　　I2C時(shí)鐘源于PCL （PCLK_PSYS、等于65MHZ），經(jīng)過了2級(jí)分頻后得到的

　　第一級(jí)分頻是I2CCON的bit，可以得到一個(gè)中間時(shí)鐘I2CCLK（等同于PCL/16、PCLK/512）

　　第二級(jí)分頻是得到I2C控制器工作的時(shí)鐘，以I2CCLK這個(gè)中間時(shí)鐘為源，分頻系統(tǒng)位［1，16］

　　最終要得到時(shí)鐘是2級(jí)分頻后的時(shí)鐘

　　主要寄存器I2CCON、I2CSTAT、I2CADD、I2CDS：

　　I2CCON+I2CSTAT：主要用來產(chǎn)生通信時(shí)序和I2C接口設(shè)置

　　I2CADD：用來寫自己的slave address

　　I2CDS：發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)都放在這里

　　I2C通信協(xié)議

　　1.I2C設(shè)備都有設(shè)備地址，可以多對(duì)多（多個(gè)主設(shè)備，多個(gè)從設(shè)備）

　　一對(duì)多：這種比較常見（我還沒遇到過多對(duì)多，手動(dòng)滑稽），也不會(huì)有太多問題

　　多對(duì)多：需要確保時(shí)鐘（SCL）同步

　　2.SCL時(shí)鐘速率不要高于從設(shè)備

　　數(shù)據(jù)傳輸步驟如下：

　　1.開始條件：SDA為高電平（1），SCL為高電平時(shí)（1），SDA由高向低跳變（下降沿）

　　2.發(fā)送數(shù)據(jù)：8個(gè)數(shù)據(jù)位，先傳最高位（MSB），然后釋放SDA線（1）（拉高電平）

　　SCL為低電平時(shí)（0），SDA可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；

　　SCL為高電平時(shí)（1），SDA保持不變，接收設(shè)備（主設(shè)備或從設(shè)備）讀取數(shù)據(jù)。

　　3.接收響應(yīng)：ACK，在第九個(gè)周期（可以說是第九個(gè)數(shù)據(jù)位）

　　接收設(shè)備拉低SDA（0）；

　　答復(fù)發(fā)送設(shè)備，接收完成；

　　4.結(jié)束條件：SDA為低電平（0），SCL為高電平時(shí)（1），SDA由低向高跳變（上升沿）

　　5.重復(fù)開始條件：master需要在一次通信中進(jìn)行多次消息交換（例如與不同的slave傳輸消息，或切換讀寫操作）

　　開始和結(jié)束不一一對(duì)應(yīng)，可以發(fā)送多次開始條件，然后只有一個(gè)結(jié)束條件

　　a. 主設(shè)備發(fā)送地址幀（地址+寫），發(fā)送要讀取的寄存器地址（如0xA0）

　　b. 主設(shè)備發(fā)送地址幀（地址+讀），接收（0xA0）寄存器數(shù)據(jù)

　　6.時(shí)鐘拉伸（clock stretching）：

　　有時(shí)候，低速slave可能由于上一個(gè)請(qǐng)求還沒處理完，尚無法繼續(xù)接收master的后續(xù)請(qǐng)求，即master的數(shù)據(jù)傳輸速率超過了slave的處理能力。這種情況下，slave可以進(jìn)行時(shí)鐘拉伸來要求master暫停傳輸數(shù)據(jù) —— 通常時(shí)鐘都是由master提供的，slave只是在SDA上放數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)。

　　而時(shí)鐘拉伸則是slave在master釋放SCL后，將SCL主動(dòng)拉低并保持，此時(shí)要求master停止在SCL上產(chǎn)生脈沖以及在SDA上發(fā)送數(shù)據(jù)，直到slave釋放SCL（SCL為高電平）。之后，master便可以繼續(xù)正常的數(shù)據(jù)傳輸了?？梢姇r(shí)鐘拉伸實(shí)際上是利用了時(shí)鐘同步的機(jī)制，只是時(shí)鐘由slave產(chǎn)生。

　　如果系統(tǒng)中存在這種低速slave并且slave實(shí)現(xiàn)了clock stretching，則master必須實(shí)現(xiàn)為能夠處理這種情況，實(shí)際上大部分slave設(shè)備中不包含SCL驅(qū)動(dòng)器的，因此無法拉伸時(shí)鐘。

　　所以更完整的I2C數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖為：