2020年03月17日 | 第019课 I2C协议详解及裸机程序分析

第001节_I2C协议与EEPROM

I2C协议

I2C在硬件上的接法如下(图19-1)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（放一个上拉电阻的原因以后我们再说)。

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

举个例子：

体育老师：可以把球发给学生，也可以把球从学生中接过来。

1.发球：a.老师说：注意了(start) 

b.老师对A学生说我要球发给你(地址)。 

:: c.老师就把球发出去了（传输）。 

:: d.A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）。 

:: e.老师说下课（停止）

2.接球： 

:: a.老师说注意了(start)， 

:: b.老师说：B把球发给我(地址) 

:: c.B就把球发给老师（传输） 

:: d.老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）。 

:: e.老师说下课（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。 

* 老师说注意了，表示开始信号(start) 

* 老师告诉某个学生，表示发送地址(address) 

* 老师发球/接球，表示数据的传输 

* 老师/学生收到球，回应表示：回应信号(ACK) 

* 老师说下课，表示IIC传输接受(P)

IIC传输数据的格式

1.写操作：

刚开始主芯片要发出一个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)。

回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据，传输数据之后，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。

每传输一个数据，接受方都会有一个回应信号，数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

:: 白色背景：主→从 

:: 灰色背景：从→主

2.读操作：

刚开始主芯片要发出一个start信号，然后发出一个设备地址(用来确定是从哪一个芯片读取数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)。

回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据，传输数据之后，要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后在传输下一个数据。

每传输一个数据，接受方都会有一个回应信号，数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

:: 白色背景：主→从 

:: 灰色背景：从→主

传输是以8位为单元数据传输的，先传输最高位(MSB)，主芯片发出start信号之后，然后发出9个时钟传输数据。

（1）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。

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

（3）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。如图 

1.问题：如何在SDA上实现双向传输？

答：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.问题：主设备(从设备)发送数据时，从设备(主设备)的发送引脚，不影响数据的发送，怎么做到呢？

答：里面放一个三极管，使用开极(极电集开发出去作为输出)电路，如下图 

下面画一个真值表: 

从真值表和电路图我们可以知道，当某一个芯片不行影响SDA线时，那就不驱动这个三极管。

想输出高电平时；都不驱动(高电平就由上拉电阻决定)。

想输出低电平，就驱动三极管。

从下面的例子可以看看数据是怎么传的（实现双向传输），比如：主设备发送（8bit）给从设备 

1.前8个clk 

* 从设备不要影响，从设备不驱动三极管； 

* 主设备决定数据；

2.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；

从上面的例子，就可以知道，怎样在一条线上实现，双向传输的办法。这就是为什么在SDA,SCL上放上拉电阻的原因。

在第9个时钟之后，如果有某一方处于繁忙状态，它可以一直把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。

从前图我们也可以知道ACK信号应该是低电平。主设备不驱动三极管，如果从设备不驱动三极端的化SDA应该是高电平，当从设备接收数据之后，发出回应信号的时候，就会驱动三极管，让SDA变为低电平。所以说：ACK信号是低电平。

对于IIC协议它只能规定怎么传输数据，数据什么含义它完全不能够控制，数据的含义有从设备决定。

第002节_S3C2440的I2C控制器

在嵌入式系统里面的主控芯片一般都会有I2C控制器，要是没有可以根据I2C协议用GPIO管脚模拟，但是非常麻烦，我们要发送数据时，可以把数据放到某个寄存器，它就会自动的发出时钟，并且把数据发送给从设备，同时会等待从设备会返回回应信号。

当我们想发送一个数据的时候，要设置某个寄存器启动传输，它也一样会产生时钟，然后从设备就会把数据通过SDA传到I2C控制器里面，组装进某个寄存器里面，最终寄存器会把接收到的8位数据返回给我们的程序，从这里可以看到I2C控制器简化了I2C的操作。简短电路连接图，如图:

根据上图，我们首先设置IICCON(来设置时钟)，时钟源是PCLK(是50MHZ)太快了我们需要设置这个分频系数，把时钟降低，降低到我们想要的SCL,然后我们要发出start信号，我们需要设置寄存器发出start信号，之后我们需要发出数据啊，我们的程序可以把数据写入到IICDS寄存器，一写入就会自动的发出时钟，并且把这8位数据从SDA发送给从设备，数据发送之后，在第九个时钟会收到回应信号，可以查询IICSTAT是否有ACK(有ACK表示数据发送成功了)，可以继续发送数据，等发完数据之后，再来设置IICSTAT让它发出P信号。

在第九个CLK，就会产生一个中断,在中断处理过程中SCL被拉为低电平，谁都不能再使用IIC总线，等待中断处理完成.

怎样处理中断？

写操作： 

若无ACK,出错，然后发出P信号结束， 

:: 若有ACK信号表示上一个字节成功发送出去 

:: 若仍有数据，写入IICDS寄存器，然后清中断，一清中断就会释放SCL信号，继续发出时钟，把数据再次发送出去。 

:: 若没有数据了，发出P信号结束。

读操作： 

读到8位数时，应该回应一个ACK信号。 

:: 还想读数据，清中断，启动传输。等它再次发生中断时，再来读取IICDS寄存器,得到数据。不想读取数据，发出P信号结束。

重点： 发生中断时，我们的IIC控制器会把SCL拉低，阻止任何设备再使用IIC总线，清中断之后才能继续使用，这种机制就给我们中断服务程序的执行提供了时间。

读-写操作

在发送模式： 

:: 1.往寄存器IICDS寄存器放入一个val值。 

:: 2.发完，产生中断，并且会把 SCL拉低。 

:: 3.在中断程序里，判断状态，然后往IICDS里面写入下一个数据，一旦写入下一个数据IIC继续操作，若再次发完，就会再次产生中断。

在接受模式： 

:: 1.我的程序发起传输，接受数据。 

:: 2.接收到数据之后，产生中断，SCL被拉低。 

:: 3.中断程序里，判断数据是否要继续接受等，如果还有继续接受的话，再次设置，设置好之后读IICDS寄存器，一但读出来IIC。 

:: 继续接受下一个数据，收到新数据之后，又会产生一个中断（就是这样循环操作）。

（l)IICCON寄存器（Multi-masterIIC-buscontrol)

IICCON寄存器用于控制是否发出ACK信号、设置发送器的时钟、开启，i2c中断，并标识中断是否发生。它的各位含义如表:

使用IICCON寄存器时，有如下注意事项。

1.发送模式的时钟频率由位[6]、位[3:0]联合决定,另外，llCCON[6]=0,IICCON[3:0] 

不能取0或10

2.12c中断在以下3种情况下发生：当发出地址信息或接收到一个从机地址并且吻合时,当总线仲裁失败时，当发送/接收完一个字节的数据（包括响应位）时。

3.基于SDA、SCL线上时间特性的考虑，要发送数据时，先将数据写入IICDS寄存器，然后再清除中断。

4.如果IICCON[5]=0，IICCON14]将不能正常工作。所以，即使不使用12c中断，也要将IICCON[5]设为1。

(2)IICSTAT寄存器(Multi-masterIIC-buscontrol/status)

IICSTAT寄存器用于选择12c接口的工作模式，发出S信号、P信号，使能接收／发送功能，并标识各种状态，比如总线仲裁是否成功、作为从机时是否被寻址、是否接收到0地址、是否接收到ACK信号等。IICSTAT寄存器的各位如表:

（3）IICADD寄存器(Multi-masterIlC-busaddress)

用到IICADD寄存器的位[7:11]，表示从机地址。IICADD寄存器在串行输出使能位 

IICSTAT[4]为0时，才可以写入：在任何时间都可以读出。IICADD寄存器的各位如表: 

（4）IICDS寄存器(Multi-masterIIC-busTx/Rxdatashift)

用到IICDS寄存器的位丨7：0]，其中保存的是要发送或己经接收的数据。IICDS寄存器在串行输出使能位IICSTAT()1为1时，叼可以写入；在任何时间都可以读出。IICDS寄存器的各位如表:

读写操作流程图

主机发送器模式操作:

主机接收器模式操作:

第003节_程序框架

写程序之前 考虑好程序的框架，我们想写出一个结构比较好，比较容易扩展的程序

我们先要考虑清楚框架的设计。

IIC控制器的功能

IIC会做什么事情呢？

对于IIC控制器，它负责传输数据，不知道数据的含义，但是它要实现写/读操作

读操作 

写操作 

IIC设备的功能

很显然，IIC控制器提供了传输数据的能力，至于数据有什么含义，IIC控制器并不知道，数据的含义有外接的IIC芯片决定，我们需要阅读芯片手册，才知道IIC控制器应该发出怎样的数据，

AT24cxx的操作方法 

显然我们的程序应该分为两层（IIC设备层，IIC控制器层），框架如下图所示： 

我们提供一个统一的接口i2c_transfer，不关使用哪个芯片，他最终都会调用i2c_transfer，来选择某一款I2C控制器，把数据发送出去，或者从I2c设备读到数据，对于每一次传输的数据都可以用一个i2c_msg结构体来表示。但是，读某个地址的数据时，就要用两个i2c_msg结构体来描述它，因为一个i2c_msg结构体只能描述一个传输方向(读/写)，我们读取ac24ccxx某个地址上的数据时，要先写出要读取的地址，然后来读取设备地址上的数据。

我们想设计出以一个结构体比较容易扩展的框架，对于I2C控制器我们要抽象出一个结构体i2c_controller，我们构造这个结构体之后，把这个这个结构体，告诉上层(I2C控制器那一层)，上层有个管理者i2c_contreller.c文件。

我们在s3c2440_i2c_controller.c这个文件中我们构造出一个i2c_controller结构体，把它放入上层文件中的数组里，以后就根据结构体的名字，把这个结构体取出来使用。

假设我们有一个TI的开发板，在ti_i2c_controller.c文件中，也要构造出一个i2c_controller结构体，同样们也会把这个结构体放入上层的结构体数组(i2c_contreller.c文件中)中，以后根据名字先出来使用。

对于设备层中的at24cxx芯片我们写出at24cxx.c文件在这个文件实现读写函数：

1.at24cxx_write函数

2.at24cxx_read。

函数读写函数都会调用i2c_transfer发起IIC传输，所以我们写程序的时候主要的暂时会涉及到三个文件：

at24cxx.c， s3c2440_i2c_controller.c，i2c_contreller.c。在最上层会写出一个i2c_test.c文件，它会提供菜单供我们选择来测试。

下面我们写一个程序框架，涉及到的文件有：i2c_test.c、at24cxx.c、i2c_controller.c、s3c2440_i2c_controller.c。

i2c_test.c文件

该文件的内容如下：

void i2c_test(void)

{

    /* 初始化: 选择I2C控制器 */

    /* 提供菜单供测试 */

}

这个菜单最终会调用到at24cxx.c里面的函数。

at24cxx.c文件

在里面会使用标准的接口i2c_transfer来启动I2C传输。该文件的内容如下：

int at24cxx_write(unsigned int addr, unsigned char *data, int len)

{

    /* 构造i2c_msg */

    /* 调用i2c_transfer */

}

int at24cxx_read(unsigned int addr, unsigned char *data, int len)

{

    /* 构造i2c_msg */

    /* 调用i2c_transfer */

}

i2c_controller.c文件

该文件的内容如下：

/* 有一个i2c_controller数组用来存放各种不同芯片的操作结构体 */

void register_i2c_controller()

{

}

/* 根据名字来选择某款I2C控制器 */

void select_i2c_controller(char *name)

{

}

/* 实现 i2c_transfer 接口函数 */

int i2c_transfer(i2c_msg msgs, int num)

{

}

select_i2c_controller函数根据名字来选择某款I2C控制器后，以后就会使用被选择的I2C控制器来启动传输。

有数组一定有注册函数register_i2c_controller会把下面实现的I2C控制器结构体i2c_controller放到i2c_controller数组里面。

s3c2440_i2c_controller.c文件

对于具体的芯片，要实现自己的i2c_controller。该文件的内容如下：

/* 实现i2c_controller

          .init

          .master_xfer

          .name

 */

第004节I2C控制器编程框架

我们现在来讲I2C控制器怎么写，它是I2C程序中最核心的地方，我们要先构造几个结构体，这几个结构体放在i2c_controller.h里面。

我们要发出I2c传输时，要构造出i2c_msg，把构造出的i2c_msg扔给下面的i2c_controller.c，i2c_controller.c会选择某一个i2c控制器，使用里面的master_xfer来传输数据， 所以我们需要构造出一个i2c_controller结构体。

i2c_controller.h文件

文件的内容如下所示：

#ifndef _I2C_CONTROLLER_H

#define _I2C_CONTROLLER_H

typedef struct i2c_msg {

    unsigned int addr;  /* 7bits */

    int flags;  /* 0 - write, 1 - read */

    int len;

    int cnt_transferred;

    unsigned char *buf;

}i2c_msg, *p_i2c_msg;

typedef struct i2c_controller {

    int (*int)(void);

    int (*master_xfer)(i2c_msg msgs, int num);

    char *name;

}i2c_controller, *p_i2c_controller;

#endif /* _I2C_CONTROLLER_H */

解析：我们构造这两个结构体，我们要把它放在i2c_controller.c把它用起来，

i2c_controller.c文件

文件的内容如下所示：

include "i2c_controller.h"

#define I2C_CONTROLLER_NUM 10

/* 有一个i2c_controller数组用来存放各种不同芯片的操作结构体 */

static p_i2c_controller p_i2c_controllers[I2C_CONTROLLER_NUM];

static p_i2c_controller p_i2c_con_selected;

void register_i2c_controller(p_i2c_controller *p)

{

    int i;

    for (i = 0; i < I2C_CONTROLLER_NUM; i++)

    {

        if (!p_i2c_controllers[i])

        {

            p_i2c_controllers[i] = p;

            return;

        }

    }

}

解析：register_i2c_controller函数用于把参数中的结构体指针，注册到p_i2c_controllers指针数组中。

/* 根据名字来选择某款I2C控制器 */

int select_i2c_controller(char *name)

{

    int i;

    for (i = 0; i < I2C_CONTROLLER_NUM; i++)

    {

        if (p_i2c_controllers[i] && !strcmp(name, p_i2c_controllers[i]->name))

        {

            p_i2c_con_selected = p_i2c_controllers[i];

            return 0;

        }

    }

    return -1;

}

解析：select_i2c_controller函数根据参数中的名字(name) 从p_i2c_controllers指针数组中取出对应的结构体指针复制给p_i2c_con_selected结构体指针(静态全局变量)。

/* 实现 i2c_transfer 接口函数 */

int i2c_transfer(i2c_msg msgs, int num)

{

    return p_i2c_con_selected->master_xfer(msgs, num);

}

解析：i2c_transfer接口函数，调用选择的p_i2c_con_selected成员中master_xfer函数。

void i2c_init(void)

{

    /* 注册下面的I2C控制器 */

    s3c2440_i2c_con_add();

    /* 选择某款I2C控制器 */

    /* 调用它的init函数 */

}

解析：s3c2440_i2c_con_add()函数，把定义的s3c2440_i2c_con结构体注册到p_i2c_controllers数组中。

s3c2440_i2c_controller.c文件

中断服务函数，当发成中断是，就会调用中断服务函数，代码如下

void i2c_interrupt_func(int irq)

{

    /* 每传输完一个数据将产生一个中断 */

    /* 对于每次传输, 第1个中断是"已经发出了设备地址" */

}

s3c2440_i2c_con_init函数，用来初始化I2C,控制器代码如下：

void s3c2440_i2c_con_init(void)

{

    /* 设置时钟 */

    /* [7] : IIC-bus acknowledge enable bit, 1-enable in rx mode

     * [6] : 时钟源, 0: IICCLK = fPCLK /16; 1: IICCLK = fPCLK /512

     * [5] : 1-enable interrupt

     * [4] : 读出为1时表示中断发生了, 写入0来清除并恢复I2C操作

     * [3:0] : Tx clock = IICCLK/(IICCON[3:0]+1).

     * Tx Clock = 100khz = 50Mhz/16/(IICCON[3:0]+1)

     */

    IICCON = (0<<6) | (1<<5) | (30<<0);

    /* 注册中断处理函数 */

    register_irq(27, i2c_interrupt_func);

}

解析：

1).IICCON = (0<<6) | (1<<5) | (30<<0); 设置IICCON控制寄存器。选择发送时钟，使能中断。

2).register_irq(27, i2c_interrupt_func)：注册中断处理函数，当发生I2C中断的时候就会调用i2c_interrupt_func中断处理函数。

初始化完成后，就可以调用do_master_tx写I2C从机了，这个函数仅仅启动I2C传输，然后等待，直到数据在中断服务程序中传输完毕后再返回。函数代码如下：

void do_master_tx(p_i2c_msg msg)

{

    msg->cnt_transferred = 0;

    /* 设置寄存器启动传输 */

    /* 1. 配置为 master tx mode */