I2C通信详解

什么是I2C通信

物理接口：SCL + SDA

• (1)SCL（serial clock）：时钟线，传输CLK信号，一般是I2C主设备向从设备提供时钟的通道
• (2)SDA(serial data)：数据线，I2C通信的通信数据都通过SDA线来传输

通信特征：串行、同步、非差分、低速率

• （1）I2C属于串行通信，所有的数据以位为单位在SDA上串行传输
• （2）同步通信就是通信双方工作在同一个时钟下面，一般是通信的A方通过一根CLK线传输A自己的时钟给B，B工作在A传输的时钟下。所以通信的显著特征就是：通信中有CLK
• （3）非差分：因为I2C的通信速率不高，所以使用电平信号通信，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信
• （4）低速率：I2C一般是用在同一个板子上的两个IC之间的通信，而且用来传输的数据量也不大，所以本身通信速率很低（一般几百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具体编程的时候要看自己所使用的设备所允许I2C的最高通信速率，不能超过这个速率）

突出特征1：主设备+从设备

• （1）I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分为主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接收主设备的通信，并及时响应。
• （2）谁是主设备，谁是从设备是由我们通信双方来定的，I2C协议并没有规定，一般来说一个芯片可以只做主设备，也可以只做从设备，也可以既当主设备，也当从设备。

突出设备2：可以多个设备同时挂在一条总线上（从设备地址）

• （1）I2C通信可以一对一（一个主设备对应一个从设备），也可以一对多（一个主设备对应多个从设备）
• （2）主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪个设备从设备通信，注意：同一时间内，I2C总线只能传输一对设备的通用信息。所以同一时间内，只能有一个从设备和主设备通信，而其他从设备处于“”“冬眠”状态，不能出来捣乱，否则通信就会乱套。
• （3）每一个I2C从设备在通信中都会有一个I2C设备地址，这个设备地址是从设备本身固有的属性，然后通信时，主设备需要知道自己将要通信的那个设备的地址，然后在通信中通过地址来甄别是不是自己要找的那个从设备。（这个地址是一个电路板上唯一的，不是全球唯一的）

主要用途：SoC和周边设外设之间的通信（典型的如EEPROM、电容式触摸屏、各种sensor）

由I2C学通信时序

什么是时序？

• 时序：字面意思，时序就是时间顺序，实际上通信中的时序就是通信线上按照时间顺序发生的电平变化，以及这些变化对通信的意义就叫做时序。

I2C的总线空闲状态、起始位、结束位？

• （1）I2C总线上有一个主设备，n（n>=1）个从设备。I2C总线上有两种状态，空闲态（所有设备都未和主设备通信，此时总线空闲）和忙状态（其中一个从设备在和主设备通信，此时总线被这一对占用，其他从设备必须歇着
• （2）整个通信周期分为一个周期一个周期的，两个相邻的通信周期是空闲态。每一个通信周期由起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通信数据。
• （3）起始位不是一个时间点，而是一个时间段。这段时间的总线状态的变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA线发生一个从高到低的下降沿。
• （4）与起始位相似，结束位是一个时间段，在这段时间内总线的变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA线发生一个低到高的上升沿。

I2C数据传输格式（数据位&ACK）

• （1）每一个通信周期的发起和结束都是由主设备来做，从设备只有被动的相应主设备，没法自己自发的去做任何事情。
• （2）主设备在每个通信周期会先发8位的从设备地址（其实8位中只有7位是从设备地址，还有一位表示主设备下面是要写入还是读出）到总线（主设备是以广播的形式发送，总线上的所有的从设备都能收到这个广播），然后总线上的每个从设备都能收到这个地址，并且收到这个地址后，和自己的设备地址相比较看是否相等。如果相等说明主设备本次通信就是给我说话，如果不想等就说明本次通信与我无关，不用听不同管了。
• （3）发送方在发送了一段数据后，接收方需要回应一个bit位，不能携带有效信息。只能表示2个意思（要么表示收到数据，即有效响应，要么表示未接到数据，即无效响应）
• （4）在某一个通信时刻，主设备和从设备只能有一个在发（占用总线，向总线写），另一个一个在收（从总线读），如果主设备和从设备都试图向总线写，那就完蛋了，通信就乱套了。

数据在总线上的传输协议

• （1）I2C通信时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是一个字节（8位）。
• （2）起始位及其后的8个clock中都是主设备在发送（这设备掌控总线），此时从设备只能读取总线，通过读取总线来得知主设备发给从设备的信息，然后到了第9个字节，按照协议规定，从设备需要发送ACK给主设备，所以这设备必须释放总线（这设备把总线置为高电平，不要动其实就类似于总线空闲状态），同时从设备试图拉低总线发出ACK。如果从设备拉低总线失败，或者从设备根本没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高电平，这对于主设备来说，意味着我没收到ACK信号，主设备就会认为我刚刚发送的8字节不对（接收失败）。

S5PV210的I2C控制器

• 通信双方本质上是通过时序工作，但是时序比较复杂，不利于SoC软件完成，因此，解决方案是SoC内部内置了硬件的控制器来产生通信时序，这样我们写软件时，只需要向控制器中写入配置值即可，控制器会产生适当的时序在通信线上和对方通信。

结构框图

• （1）时钟部分，时钟来源是PCLK_PSYS，经过内部分频最终得到I2C控制器的CLK，通信中这个CLK会通过SCL线传给从设备
• （2）I2C总线控制逻辑（前台代表是I2CCON、I2CSTAT这两个寄存器），主要负责I2C通信时序。实际编程中要发送起始位、停止位。ACK等都是通过这两个寄存器（背后所代表电路模块）实现的。
• （3）移位寄存器（shift regeist），将代码中要发送的字节数据，通过寄存器变成一个位一个位的丢给SDA线上去发送/接收。学过数字电路的同学应该对寄存器不陌生
• （4）地址寄存器+比较器。本I2C控制器做从设备的时候用。

系统分析I2C的时钟

• I2C时钟源于PCL （PCLK_PSYS、等于65MHZ），经过了2级分频后得到的
• 第一级分频是I2CCON的bit，可以得到一个中间时钟I2CCLK（等同于PCL/16、PCLK/512）
• 第二级分频是得到I2C控制器工作的时钟，以I2CCLK这个中间时钟为源，分频系统位[1，16]
• 最终要得到时钟是2级分频后的时钟

主要寄存器I2CCON、I2CSTAT、I2CADD、I2CDS

• I2CCON+I2CSTAT：主要用来产生通信时序和I2C接口设置
• I2CADD:用来写自己的slave address
• I2CDS:发送/接收的数据都放在这里

 X210板载gsensor介绍

原理图查阅

• （1）gensor的供电由PWMTOUT3引脚控制。当PWMTOUT3输出低电平时gsensor无电不工作，当输出高电平时gsensor工作
• （2）gsensor的SDA和SCL接的是S5PV210的I2C的端口0
• （3）将来编程时在gsensor_init函数中要去初始化GPIO

重力加速度传感器

• （1）用在手机、平板、智能手表等设备上，用来感受手的移动，获取一些运动的方向性信息用来给系统作为输入参量。
• （2）可以用来设计智能手表上的计步器功能
• （3）重力加速度传感器、地磁传感器、陀螺仪等三个传感器，都是用来感知物体运动的速度、方位等信息的，所以现在最新的有9轴传感器，就是把这三者结合其来并且用一定的算法进行整合得出结论，目的是更加准确。
• （4）一般传感器的接口由2种：模拟接口和数字接口。模拟接口是用接口电平变化来作为输出的（譬如模拟接口的压力传感器在压力不同时输出电平在0~3.3V变化，每一个电压对应一个压力）CPU需要用一个AD接口来对接传感器对他输出的AD数据进行AD转换，得到一个数字的电压值，在用这个数字电压值去校准，得到压力值。数字接口是后来发展出来的，数字接口的sensor是在模拟接口的sensor基础之上，在内部集成了AD，直接（通过一定的总线接口协议，一般为I2C）输出一个数字值的参数，这样SoC直接通过总线接口初始化，读取传感器输出参数即可。（譬如gsensor、电容触摸屏IC）

I2C从设备的设备地址

• （1）KXTE9的I2C地址固定位0b0001111(0x0F)
• （2）I2C从设备地址本身是7位的，但是在I2C通信中发送I2C设备地址时实际发送的是8位，这8位中高7位（bit7~bit1）对应的是I2C从设备的7位地址，最低一位（LSB）存放的是R/W信息（也就是说下一个数据是主设备写，从设备读（对应0）、还是主设备读，从设备写（对应1））
• （3）基于上面讲的，对于KXTE9，主设备（SoC）发给gsensor信息时应，SDA应该是0b00011110（0x1E），如果是主设备要读取gsensor是应该是0b00011111（0x1F）

I2C从设备通信速率

• （1）I2C协议本身属于低速协议，通信速度不能太高
• （2）实际上通信的主设备和从设备本身都有最高的通信速率的限制（属于各个芯片本身的参数），实际编程时怎么确定最终的通信速率？只要小于两个即可
• （3）一般来说只能做从设备的sensor的芯片本身I2C通信速率都偏低，像KXTE9支持的最高通信速率位400KHz的频率

I2C总线的通信流程

• S5PV210的发送流程图
• S5PV210的主接收流程图
•  gsensor的写寄存器流程图
• gsensor的寄存器流程图

I2C通信代码分析1

I2C控制器初始化：s3c24xx_i2c_init

• (1)初始化做的事情：初始化GPIO，设置IRQEN和ACKEN，初始化I2C时钟
• 1.12.6.2、I2C控制器主模式开始一次读写：s3c24xx_i2c_message_start
• 1.12.6.3、I2C控制器主模式结束一次读写：s3c24xx_i2c_stop

C语言代码分析2

• 框架分析：我们最终目的是通过读写gsensor芯片的内部寄存器来得到一些信息。为了完成这个目的，我们需要能够读写gsensor的寄存器，根据gsensor的规定我们需要按照一定的操作流程来读写gsensor的内部寄存器，这是一个层次（姑且叫做传输层、协议层、应用层）；我们要按照操作流程去读写寄存器，就需要考虑I2C接口协议（这就是所谓的物理层，本质就是那些时序）。此时主机SoC有或者没有控制器，有控制器时考虑控制器的寄存器，没控制器时要自己软件模拟时序。
• 协议层的代码主要取决于gsensor芯片；物理层代码主要取决于主机SoC。

gsensor写寄存器：gsensor_i2c_write_reg
gsensor读寄存器：gsensor_i2c_read_reg
gsensor编程：gsensor_initial等