i2c通信的详细讲解

屈育成 2020-11-24 18084

通信网络

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描述

　　什么是I2C通信

　　（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

　　I2C通信协议

　　1.I2C设备都有设备地址，可以多对多（多个主设备，多个从设备）

　　一对多：这种比较常见（我还没遇到过多对多，手动滑稽），也不会有太多问题

　　多对多：需要确保时钟（SCL）同步

　　2.SCL时钟速率不要高于从设备

　　数据传输步骤如下：

　　1.开始条件：SDA为高电平（1），SCL为高电平时（1），SDA由高向低跳变（下降沿）

　　2.发送数据：8个数据位，先传最高位（MSB），然后释放SDA线（1）（拉高电平）

　　SCL为低电平时（0），SDA可进行电平转换；

　　SCL为高电平时（1），SDA保持不变，接收设备（主设备或从设备）读取数据。

　　3.接收响应：ACK，在第九个周期（可以说是第九个数据位）

　　接收设备拉低SDA（0）；

　　答复发送设备，接收完成；

　　4.结束条件：SDA为低电平（0），SCL为高电平时（1），SDA由低向高跳变（上升沿）

　　5.重复开始条件：master需要在一次通信中进行多次消息交换（例如与不同的slave传输消息，或切换读写操作）

　　开始和结束不一一对应，可以发送多次开始条件，然后只有一个结束条件

　　a. 主设备发送地址帧（地址+写），发送要读取的寄存器地址（如0xA0）

　　b. 主设备发送地址帧（地址+读），接收（0xA0）寄存器数据

　　6.时钟拉伸（clock stretching）：

　　有时候，低速slave可能由于上一个请求还没处理完，尚无法继续接收master的后续请求，即master的数据传输速率超过了slave的处理能力。这种情况下，slave可以进行时钟拉伸来要求master暂停传输数据 —— 通常时钟都是由master提供的，slave只是在SDA上放数据或读数据。

　　而时钟拉伸则是slave在master释放SCL后，将SCL主动拉低并保持，此时要求master停止在SCL上产生脉冲以及在SDA上发送数据，直到slave释放SCL（SCL为高电平）。之后，master便可以继续正常的数据传输了。可见时钟拉伸实际上是利用了时钟同步的机制，只是时钟由slave产生。

　　如果系统中存在这种低速slave并且slave实现了clock stretching，则master必须实现为能够处理这种情况，实际上大部分slave设备中不包含SCL驱动器的，因此无法拉伸时钟。

　　所以更完整的I2C数据传输时序图为：