I2C总线驱动在嵌入式系统中的两种实现

1 引 言

I2C总线(Inter-IC Bus)是一种通用的串行总线，是用于IC器件之间连接的二线制总线。他通过串行数据线(Serial Data Lines，SDL)及串行时钟线(Serial ClockLine，SCL)两线在连接到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。一个或多个微控制器以及外围器件可以通过I2C总线接口非常方便的连接在一起构成系统。这种总线结构的连线和连接引脚少，器件间总线简单。结构紧凑，因此其构成系统的成本较低；并且在总线上增加器件不会影响系统的正常工作，所有的I。C器件共用一套总线，因此其系统修改和可扩展性好。即使有不同时钟速度的器件连接到总线上，时间同步机制也能够很方便地确定总线时钟，因此在嵌入式系统中得到了广泛的应用。 2 I2C总线原理

2．1 I2C工作原理

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。每个连接到总线的器件都可以通过惟一的地址与主机通讯，主机可以作为主机发送器或主机接收器。他是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化，数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100 kb／s，快速模式下可达400 kb／s，高速模式下可达3.4 Mb／s。连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400 pF限制。

I2C总线在传送数据过程中共有3种特殊的电平变换情况，他们分别是：起始(start)、停止(stop)和响应(aek)。

当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，这个表示起始条件；当SCL是高电平时，SDA线由低电平向高电平跳变表示停止条件。起始和停止条件一般由主机产生，总线在起始条件后被认为处于忙的状态，在停止条件的某段时间后总线被认为再次处于空闲状态。

响应信号是指从机在接收到8b数据后，向主机发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。在响应的时钟脉冲期间，从机必须将SDA线拉低使他在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平，主机收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为从机出现故障。

2.2操作时序

I2C总线运用主／从双向通讯。主机和从机都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主机(通常为微控制器)控制，主机产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。具体时序见图1。

3嵌入式系统中的I2C驱动的两种实现

3.1 系统自带I2C寄存器的实现

下面以ARM S3C4510B为例，给出基于寄存器方式的I2C驱动实现。S3C4510B内含一个I2C总线主控器，可方便地与各种带有I2C接口的器件相连。I2C总线控制器有3个特殊功能寄存器：一个控制状态寄存器(I2CON)，一个预分频寄存器(I2CPS)和一个移位缓冲寄存器(I2CBUF)。通过配置这些寄存器，可实现正确的I2C数据传输时序。下面分别给出读、写实现的实例。读操作：

通过对控制状态寄存器(I2CC()N)写入OxlO发送启动码初始化串行I2C总线，然后总线控制器发送7位的从设备地址并通过移位缓冲寄存器发送读／写控制位，接收器则在主控器的SCL脉冲期间通过将SDA线从高电平下拉到低电平作为应答信号。

写数据的操作 先设置控制状态寄存器的BF位(0x01)，然后写入数据到移位缓冲寄存器。移位缓冲寄存器无论是被读还是写，BF位均会自动清零。若要进行连续的读／写操作，必须设置控制状态寄存器的ACK位(0x08)。

读数据的操作 在设置控制状态寄存器的BF位以后，可以进行读数据的操作，当读／写完最后一个字节时，可对ACK位进行复位通知发送器／接收器读数据操作结束。

在读／写操作完成以后，可通过对I2CCON写入0x20生成结束码。

3.2 以GPIO端口模拟I2C实现

此方法是直接用ARM S3C4510的GPIO(GeneralPurpose Input／Output)引脚模拟I2C总线的时序来实现数据传输。S3C4510B提供了18个可编程的通用I／O端口，用户可将每个端口配置为输入模式、输出模式或特殊功能模式，由片内的特殊功能寄存器IOPMOD和IOPCON控制。

控制I／O口的特殊功能寄存器一共有3个：IOP-MOD，I0PCON和IOPDATA。I／O口模式寄存器(IOP-MOD)用于配置P17～P0的输入输出状态；I／O口控制寄存器IOPCON用于配置端口P8～P17的特殊功能，当这些端口用作特殊功能(如外部中断请求、外部中断请求应答、外部DMA请求或应答、定时器溢出)时，其工作模式由10PCON寄存器控制，而不再由IOPMOD寄存器；I／O口数据寄存器(IOPDATA)当配置为输入模式时，读取I／O口数据寄存器IOPDATA的每一位对应输入状态，当配置为输出模式时，写每一位对应输出状态。位[17：O]对应于18个I／0引脚P17～P0。

下面用GPIO的pin[O][1]脚进行I2C模拟，其中低位为SDA，高位为SCL。首先给出一些便于操作的宏定义：

 

3.3 应用实例

为ARM外挂PCF8563实现实时时钟控制。PCF8563是PHILIPS公司生产的具有I2C接口的低功耗CM()S实时时钟／日历芯片。其最大总线速度为400kb／s，每次读写数据后，其内嵌的字地址寄存器器会自动产生增量。下面用模拟实现PCF8563的I2C实时时钟芯片的操作，有字节写／读两种状态，程序中从地址的读地址为0A3H，写地址为0A2H。

首先使能I2C总线，然后对I2C总线进行开始操作，就绪之后，依次写人器件地址(即0xA2)，写入寄存器地址，再写人所设寄存器值。控制／状态寄存器1为0，控制／状态寄存器2为0，秒寄存器为30，分钟寄存器45，小时寄存器为17，日寄存器为20，星期寄存器为0，月／世纪寄存器为88，年寄存器为6(即2006年8月20日17点45分30秒)。当程序运行一段时间(15分钟)后，依次读取寄存器，得到时间为2006年8月20日18点OO分30秒。

4 总 结

本文给出了两种I2C驱动的实现方法。前者直接利用主机端自带的I2C总线控制器，通过配置一系列特殊寄存器实现I2C总线传输。这种方式适用于一些本身包含I2C总线控制器的芯片，实现起来简单方便。后者则适用于主机端没有I2C控制器的情况。此时主机端只要有GPIO端口，就可利用其实现同样的功能。在基于ARM加μClinux的嵌入式视频监控产品中，同时将这两种方法做了具体的运用。其一的示例就是通过模拟的I2C总线，挂接PCF8563实时时钟芯片，并取得很好的实时效果。