Linux應用開發基礎知識——I2C應用編程(十二)

前言：

I2C（Inter-Integrated?Circuit?BUS）是集成電路總線，是目前應用最廣泛的總線之一，最初由PHILIPS（現為NXP）設計。它使用多主從架構，主要用于連接低速周邊設備。I2C總線在硬件物理層包括兩條線：一條數據線（SDA）和一條時鐘線（SCL）。所有設備都連接在這兩條線上。I2C協議在物理層之上添加了協議層，定義了通信的規則和過程。I2C通信過程可以類比為體育老師和學生之間的球類傳遞。老師（主設備）可以將球（數據）發送給學生（從設備），也可以從學生那里接收球。在接收到球后，學生應該向老師作出回應。這個過程可以對應到I2C通信中的數據傳輸和應答過程。I2C總線在傳輸數據時，需要主設備發送時鐘信號，從設備在每個時鐘脈沖的上升沿或下降沿發送或接收一位數據。

一、I2C 硬件框架

在一個芯片(SoC)內部，有一個或多個 I2C 控制器

在一個 I2C 控制器上，可以連接一個或多個 I2C 設備

I2C 總線只需要 2 條線：時鐘線 SCL、數據線 SDA

在 I2C 總線的 SCL、SDA 線上，都有上拉電阻

二、I2C 軟件框架

?以 I2C 接口的存儲設備 AT24C02 為例：

APP：

???????? 提出要求：把字符串"www.100ask.net"寫入 AT24C02 地址 16 開始的地方

? ? ? ? ?它是大爺，不關心底層實現的細節

? ? ? ? ?它只需要調用設備驅動程序提供的接口

AT24C02 驅動：

??????????它知道 AT24C02 要求的地址、數據格式

? ? ? ? ? 它知道發出什么信號才能讓 AT24C02 執行擦除、燒寫工作

? ? ? ? ? 它知道怎么判斷數據是否燒寫成功

??????????它構造好一系列的數據，發給 I2C 控制器

I2C 控制器驅動：

???????? 它根據 I2C 協議發出各類信號：I2C 設備地址、I2C 存儲地址、數據

? ? ? ? ?它根據 I2C 協議判斷

三、I2C協議：

1.硬件連接：

????????I2C 在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出兩條線 SCL,SDA 線，在一條 I2C 總線上可以接很多 I2C 設備，我們還會放一個上拉電阻。

?2.傳輸數據類比

????????怎么通過 I2C 傳輸數據，我們需要把數據從主設備發送到從設備上去，也需要把數據從設備傳送到主設備上去，數據涉及到雙向傳輸。

體育老師：可以把球發給學生，也可以把球從學生中接過來。

發球：

????????老師：開始了(start)

? ? ? ? 老師：A！我要發球給你！(地址/方向)

????????學生 A：到！(回應)

????????老師把球發出去（傳輸）

????????A 收到球之后，應該告訴老師一聲（回應）

????????老師：結束（停止）

接球：

????????老師：開始了(start)

????????老師：B！把球發給我！(地址/方向)

????????學生 B：到！

????????B 把球發給老師（傳輸）

????????老師收到球之后，給 B 說一聲，表示收到球了（回應）

????????老師：結束（停止）

我們就使用這個簡單的例子，來解釋一下 IIC 的傳輸協議：

老師說開始了，表示開始信號(start)

老師提醒某個學生要發球，表示發送地址和方向(address/read/write)

老師發球/接球，表示數據的傳輸

收到球要回應：回應信號(ACK)

老師說結束，表示 IIC 傳輸結束(P)

3. IIC 傳輸數據的格式

(1)寫操作

主芯片要發出一個 start 信號

然后發出一個設備地址(用來確定是往哪一個芯片寫數據)，方向(讀/寫，0 表示寫，1 表示讀)

從設備回應(用來確定這個設備是否存在)，然后就可以傳輸數據

主設備發送一個字節數據給從設備，并等待回應

每傳輸一字節數據，接收方要有一個回應信號（確定數據是否接受完成)，然后再傳輸下一個數據。

數據發送完之后，主芯片就會發送一個停止信號。

圖：白色背景表示"主→從"，灰色背景表示"從→主"

(2)讀操作

主芯片要發出一個 start 信號

然后發出一個設備地址(用來確定是往哪一個芯片寫數據)，方向(讀/寫，0 表示寫，1 表示讀)

從設備回應(用來確定這個設備是否存在)，然后就可以傳輸數據

從設備發送一個字節數據給主設備，并等待回應

每傳輸一字節數據，接收方要有一個回應信號（確定數據是否接受完成)，然后再傳輸下一個數據。

數據發送完之后，主芯片就會發送一個停止信號。

下圖：白色背景表示"主→從"，灰色背景表示"從→主"?

(3).I2C 信號

????????I2C 協議中數據傳輸的單位是字節，也就是 8 位。但是要用到 9 個時鐘：前面 8 個時鐘用來傳輸 8 數據，第 9 個時鐘用來傳輸回應信號。傳輸時，先傳輸最高位(MSB)。

開始信號（S）：SCL 為高電平時，SDA 山高電平向低電平跳變，開始傳送數據。

結束信號（P）：SCL 為高電平時，SDA 由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。

響應信號(ACK)：接收器在接收到 8 位數據后，在第 9 個時鐘周期，拉低 SDA

SDA 上傳輸的數據必須在 SCL 為高電平期間保持穩定，SDA 上的數據只能在 SCL 為低電平期間變化

I2C 協議信號如下：

????????在SCL低電平狀態下改變SDA，在SCL高電平狀態下保持SDA。

?(4).協議細節

1) 如何在 SDA 上實現雙向傳輸？

????????主芯片通過一根 SDA 線既可以把數據發給從設備，也可以從 SDA 上讀取數據，連接 SDA 線的引腳里面必然有兩個引腳（發送引腳/接受引腳）。

2) 主、從設備都可以通過 SDA 發送數據，肯定不能同時發送數據，怎么錯開時間？

在9 個時鐘里：

????????前 8 個時鐘由主設備發送數據的話，第 9 個時鐘就由從設備發送數據。

????????前 8 個時鐘由從設備發送數據的話，第 9 個時鐘就由主設備發送數據。

3) 雙方設備中，某個設備發送數據時，另一方怎樣才能不影響 SDA 上的數據？

????????設備的 SDA 中有一個三極管，使用開極/開漏電路(三極管是開極，CMOS 管是開漏，作用一樣)。如果主機發送1，從機因為某些錯誤發送了0，則會出現短路的狀況，容易燒起來。

這里我們就需要運用到規范鐘：

????????外加一個上拉電阻有效的避免了短路燒毀電路情況的發生。

????????當某一個芯片不想影響 SDA 線時，那就不驅動這個三極管

????????想讓 SDA 輸出高電平，雙方都不驅動三極管(SDA 通過上拉電阻變為高電平)

????????想讓 SDA 輸出低電平，就驅動三極管

例子：

主設備發送（8bit）給從設備

????????前 8 個 clk

????????從設備不要影響 SDA，從設備不驅動三極管

????????主設備決定數據，主設備要發送 1 時不驅動三極管，要發送 0 時驅動三極管

????????第 9 個 clk，由從設備決定數據

????????主設備不驅動三極管

????????從設備決定數據，要發出回應信號的話，就驅動三極管讓 SDA 變為 0

為何 SCL 也要使用上拉電阻？?

????????在第 9 個時鐘之后，如果有某一方需要更多的時間來處理數據，它可以一直驅動三極管把 SCL 拉低。

????????當 SCL 為低電平時候，大家都不應該使用 IIC 總線，只有當 SCL 從低電平變為高電平的時候，IIC 總線才能被使用。

????????當它就緒后，就可以不再驅動三極管，這是上拉電阻把 SCL 變為高電平，其他設備就可以繼續使用 I2C 總線了。

四、SMBus 協議

1. SMBus 是 I2C 協議的一個子集

SMBus: System Management Bus，系統管理總線。

SMBus 最初的目的是為智能電池、充電電池、其他微控制器之間的通信鏈路而定義的。

SMBus 也被用來連接各種設備，包括電源相關設備，系統傳感器，EEPROM 通訊設備等等。

SMBus 為系統和電源管理這樣的任務提供了一條控制總線，使用 SMBus 的系統，設備之間發送和接收消息都是通過 SMBus，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節省設備的管腳數。

SMBus 是基于 I2C 協議的，SMBus 要求更嚴格，SMBus 是 I2C 協議的子集。

SMBus 有哪些更嚴格的要求？跟一般的 I2C 協議有哪些差別？

VDD 的極限值不一樣

???????? I2C 協議：范圍很廣，甚至討論了高達 12V 的情況

???????? SMBus：1.8V~5V

最小時鐘頻率、最大的 Clock Stretching

???????? Clock Stretching 含義：某個設備需要更多時間進行內部的處理時，它可以把 SCL 拉低占住 I2C 總線,也可以叫做時鐘延長。

???????? I2C 協議：時鐘頻率最小值無限制，Clock Stretching 時長也沒有限制

??????? ?SMBus：時鐘頻率最小值是 10KHz，Clock Stretching 的最大時間值也有限制

地址回應(Address Acknowledge)：

一個 I2C 設備接收到它的設備地址后，是否必須發出回應信號？

???????? I2C 協議：沒有強制要求必須發出回應信號

? ? ? ? ?SMBus：強制要求必須發出回應信號，這樣對方才知道該設備的狀態： busy，failed，或是被移除了

SMBus 協議明確了數據的傳輸格式

???????? I2C 協議：它只定義了怎么傳輸數據，但是并沒有定義數據的格式，這完全由設備來定義

???????? SMBus：定義了幾種數據格式(后面分析)

REPEATED START Condition(重復發出 S 信號)

????????比如讀 EEPROM 時，涉及 2 個操作：（1）把存儲地址發給設備（2）讀數據

在寫、讀之間，可以不發出 P 信號，而是直接發出 S 信號：這個 S 信號就是 REPEATED START，如圖所示

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

2.SMBus 協議分析?

????????對于 I2C 協議，它只定義了怎么傳輸數據，但是并沒有定義數據的格式，這完全由設備來定義。

????????對于 SMBus 協議，它定義了幾種數據格式。

注意：下面文檔中的 Functionality flag 是 Linux 的某個 I2C 控制器驅動所支持的功能。比如 Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK，表示需要 I2C 控制器支持 SMBus Quick Command。

（1）symbols(符號)

S (1 bit) : Start bit(開始位)
Sr (1 bit) : 重復的開始位
P (1 bit) : Stop bit(停止位)
R/W# (1 bit) : Read/Write bit. Rd equals 1, Wr equals 0.(讀寫位)
A, N (1 bit) : Accept and reverse accept bit.(回應位)
Address(7 bits): I2C 7 bit address. Note that this can be expanded as usual toget 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 onthe device.(命令字節，一般用來選擇芯片內部的寄存器)
Data Byte (8 bits): A plain data byte. Sometimes, I write DataLow, DataHighfor 16 bit data.(數據字節，8 位；如果是 16 位數據的話，用 2 個字節來表示：DataLow、DataHigh)
Count (8 bits): A data byte containing the length of a block operation.(在 block 操作總，表示數據長度)
[..]: Data sent by I2C device, as opposed to data sent by the hostadapter.(中括號表示 I2C 設備發送的數據，沒有中括號表示 host adapter 發送的數據)

（2）SMBus Quick Command

????????只是用來發送一位數據：R/W#本意是用來表示讀或寫，但是在 SMBus 里可以用來表示其他含義。比如某些開關設備，可以根據這一位來決定是打開還是關閉。?

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK

（3）SMBus Receive Byte?

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_read_byte()。讀取一個字節，Host adapter 接收到一個字節后不需要發出回應信號(上圖中 N 表示不回應)。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE

?（4）SMBus Send Byte

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_write_byte()。發送一個字節。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE

（5）SMBus Read Byte?

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_read_byte_data()。先發出Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再讀取一個字節的數據。上面介紹的 SMBus Receive Byte 是不發送 Comand，直接讀取數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA

（6）SMBus Read Word

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_read_word_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再讀取 2 個字節的數據。?

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_WORD_DATA

?（7）SMBus Write Byte

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_write_byte_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發出 1 個字節的數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE_DATA

（8）SMBus Write Word

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_write_word_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發出 1 個字節的數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_WORD_DATA

（9）SMBus Block Read

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_read_block_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發起度操作：

???????? 先讀到一個字節(Block Count)，表示后續要讀的字節數

???????? 然后讀取全部數據?

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

（10）SMBus Block Write

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_write_block_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發出 1 個字節的 Byte Conut(表示后續要發出的數據字節數)，最后發出全部數據。?

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BLOCK_DATA

（11）I2C Block Read

????????在一般的 I2C 協議中，也可以連續讀出多個字節。它跟 SMBus Block Read 的差別在于設備發出的第 1 個數據不是長度 N，如下圖所示：

????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_read_i2c_block_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發出 1 個字節的 Byte Conut(表示后續要發出的數據字節數)，最后發出全部數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_I2C_BLOCK

（12）I2C Block Write

????????在一般的 I2C 協議中，也可以連續發出多個字節。它跟 SMBus Block Write 的差別在于發出的第 1 個數據不是長度 N，如下圖所示：

?????????I2C-tools 中的函數：i2c_smbus_write_i2c_block_data()。先發出 Command Code(它一般表示芯片內部的寄存器地址)，再發出 1 個字節的 Byte Conut(表示后續要發出的數據字節數)，最后發出全部數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK

（13）SMBus Block Write - Block Read Process Call

????????先寫一塊數據，再讀一塊數據。

Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL

（14）Packet Error Checking (PEC)

????????PEC 是一種錯誤校驗碼，如果使用 PEC，那么在 P 信號之前，數據發送方要發送一個字節的 PEC 碼(它是 CRC-8 碼)。以 SMBus Send Byte 為例，下圖中，一個未使用 PEC，另一個使用 PEC：

3.SMBus 和 I2C 的建議?

????????因為很多設備都實現了 SMBus，而不是更寬泛的 I2C 協議，所以優先使用 SMBus。即使 I2C 控制器沒有實現 SMBus，軟件方面也是可以使用 I2C 協議來模擬 SMBus。所以：Linux 建議優先使用 SMBus。