浅析I2C总线的一种灵活控制方法

I2C作为常用的通讯外设，广泛应用在各种通讯场合，而且也衍生各种变体协议，比如SCCB，SMbus，PMbus等等。先楫半导体在I2C这个通讯外设上，每个传输的阶段都可以独立自由去控制，这也极大得提高了开发的自由灵活度，而且也可以随性发挥生成I2C的变体协议，而不需要去进行IO模拟。

首先介绍一下先楫半导体I2C的一些主要特性和功能，方便后续说明，大家也可以到官网参考先楫用户手册。

1

I2C 特征

支持标准模式 (100Kb/s)，快速模式 (400Kb/s) 和快速模式 +(1Mb/s)

可配置主从模式

支持 7 位和 10 位地址模式

支持广播呼叫地址 (general call address)

自动时钟延展 (clock stretching)

可配置的时钟/数据时序

支持直接内存访问 (DMA)

4 字节 FIFO

2

I2C 功能

每个传输由 4 个阶段组成：起始，地址，数据和结束。在起始阶段会产生 START 操作，在地址阶段发送地址，在数据阶段 1 个或多个数据字节被传送，在结束阶段产生 STOP 操作。每个阶段都能够独立控制是否执行

4个字节FIFO，可不使用DMA的情况下，满足多字节一次性传输。并且软件没有准备好下一个字节的收发数据或者FIFO已满时候，I2C控制器会自动延展I2C总线时钟来暂停总线传输。

I2C控制器默认使能了自动ACK响应，即是除了最后一个字节外其余字节接收后都会自动发出ACK，软件可以使能字节接收中断来禁止自动响应功能，软件自己接收后决定是否发送ACK。

3

场合需求

在某些场合，当I2C作为主机的时候，一次数据量传输当中，可能会有以下的需求方式：

传输过程中间变化读写方向，比如START操作到第一个数据字节传输是写，后面变为读。或者读变成写。

传输过程中分三次传输，START，数据，STOP传输。比如第一次传输需要带START，但不需要STOP。

传输过程中需要restart重新发送start信号。

举例，比如SMBUS，在进行block read传输中，就需要传输过程中发送restart信号，并且切换读写方向。

4

实现方式

先楫半导体的用户手册对于 I2C 的寄存器说明一共有好几个，本文重点介绍以下三个密切相关的寄存器：

1. CTRL寄存器：该寄存器是用来配置一次传输中的每个阶段的控制，比如主机模式下，方向是发送，在START开始后，STOP结束前，传输的是数据段，可以不发START,地址，STOP。那么可以对其寄存器的对应位进行开启和关闭。

2. INTEN寄存器的BYTERECV位，开启或关闭自动响应功能。

3. CMD寄存器：定义的是对一次transaction的相关操作。比如主机在接收到从机的数据，需要不接受数据了，可以发送一个NACK响应。前提是关闭了自动响应功能。

根据以上的寄存器说明，在新的sdk版本V1.2.0中，我们在SDK的i2c driver中看到有定义一个顺序传输接口，定义一个枚举，分别表示第一帧，中间帧，最后一帧。

/**

* @brief I2c sequentialtransfer options

* @arg: i2c_frist_frame: hasstart signal

* @arg: i2c_next_frame:middle transfer

* @arg: i2c_last_frame: hasstop signal

*/

typedef enum i2c_seq_transfer_opt{

  i2c_frist_frame = 0,

  i2c_next_frame,

  i2c_last_frame,

}i2c_seq_transfer_opt_t;

对于发送接口，sdk1.2也提供了i2c_master_seq_transimit 这个 API。

对于接收接口，sdk1.2也提供了i2c_master_seq_receive这个API,从内部API可以看出是关闭自动响应，软件控制一次传输的ACK和NACK，避免STOP未出现时出现数据断开。

5

验证功能

根据以上信息，我们来操作一个实验，以sdk的poll例子的master和slave两个开发板进行相互收发，slave不做改动，master的读写接口替换以上的接口。

int main(void)

{

 hpm_stat_t stat;

 i2c_config_t config;

 uint32_t freq;

 board_init();

 init_i2c_pins(TEST_I2C);

 config.i2c_mode = i2c_mode_normal;

 config.is_10bit_addressing = false;

 freq = clock_get_frequency(TEST_I2C_CLOCK_NAME);

 stat = i2c_init_master(TEST_I2C, freq, &config);

 if (stat != status_success) {

     return stat;

 }

 printf("I2C polling master example ");

 prepare_tx_data();

 uint32_t index = 0;

 uint32_t inc_len = 30;

 if (status_success != i2c_master_seq_transmit(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &tx_buff[index], inc_len, i2c_frist_frame)) {

     printf("Master transfer frist frame failed ");

     while (1) {

     }

 }

 index += inc_len;

 if (status_success != i2c_master_seq_transmit(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &tx_buff[index], inc_len, i2c_next_frame)) {

     printf("Master transfer next frame failed ");

     while (1) {

     }

 }

 index += inc_len;

 inc_len = (sizeof(tx_buff) - (inc_len * 2));

 if (status_success != i2c_master_seq_transmit(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &tx_buff[index], inc_len, i2c_last_frame)) {

     printf("Master transfer last frame failed ");

     while (1) {

     }

 }

 /* wait for slave controller to be ready to send data */

 board_delay_ms(100);

 index = 0;

 inc_len = 30;

 if (status_success != i2c_master_seq_receive(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &rx_buff[index], inc_len, i2c_frist_frame)) {

     printf("Master transfer read frist framefailed ");

     while (1) {

     }

 }

 index += inc_len;

 if (status_success != i2c_master_seq_receive(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &rx_buff[index], inc_len, i2c_next_frame)) {

     printf("Master transfer read next framefailed ");

     while (1) {

     }

 }

 index += inc_len;

 inc_len = (sizeof(tx_buff) - (inc_len * 2));

 if (status_success != i2c_master_seq_receive(TEST_I2C, TEST_I2C_SLAVE_ADDRESS, &rx_buff[index], inc_len, i2c_last_frame)) {

     printf("Master transfer read last framefailed ");

     while (1) {

     }

 }

 check_transfer_data();

 while (1) {

 }

 return 0;

}

实验现象

① 当把一次完整传输拆分三次frame传输时候，依旧是没什么问题的。可见以上的功能使用并没有什么问题。

② 可以模拟下一个配置错误的现象，开启auto-ack功能，master接收slave数据的数据，由于开启了自动响应，在第一包frame接收的时候，I2C控制器认为传输到最后一个字节，会自动补充NACK，但我们并不希望补充NACK，因为一次完整的传输还没完成，这时候就需要软件自己添加ACK或者NACK。

6

小 结

对于I2C，无论是poll方式，还是中断方式，还是DMA方式，先楫的I2C控制器对于I2C传输的每个阶段都是可控的，这为开发者的应用需求也极大提高软件灵活度。

审核编辑：刘清