I2C协议(转)

2023-08-05 11:16:40

1.I2C协议
   2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。
   SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
   支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。
   总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0.
   系统中可能有多个同种芯片，为此addr分为固定部分和可编程部份，细节视芯片而定，看datasheet。

1.1 I2C位传输
   数据传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit；
   若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束（后面讲）
   数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit

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1.2 I2C开始和结束信号
   开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
   结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

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1.3 I2C应答信号

Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
   即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
   若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程，如下所示：

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1.4 I2C写流程
写寄存器的标准流程为：
1.    Master发起START
2.    Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3.    Slave发送ACK
4.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5.    Slave发送ACK
6.    Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.    第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9.    Master发起STOP

写一个寄存器

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写多个寄存器

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1.5 I2C读流程

读寄存器的标准流程为：
1.    Master发送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
2.    Slave发送ACK
3.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
4.    Slave发送ACK
5.    Master发起START
6.    Master发送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.    Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
9.    Master发送ACK
10.    第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

读一个寄存器

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读多个寄存器

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2. PowerPC的I2C实现

Mpc8560的CCSR中控制I2C的寄存器共有6个。

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2.1 I2CADR 地址寄存器

CPU也可以是I2C的Slave，CPU的I2C地址有 I2CADR指定

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2.2 I2CFDR 频率设置寄存器

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The serial bit clock frequency of SCL is equal to the CCB clock divided by the divider.
用来设置I2C总线频率

2.3 I2CCR 控制寄存器

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MEN： Module Enable.    置1时，I2C模块使能
MIEN：Module Interrupt Enable. 置1时，I2C中断使能。
MSTA：Master/slave mode. 1 Master mode，0 Slave mode.
        当1->0时，CPU发起STOP信号
        当0->1时，CPU发起START信号
MTX：Transmit/receive mode select.0 Receive mode，1 Transmit mode
TXAK：Transfer acknowledge. 置1时，CPU在9th clock发送ACK拉低SDA
RSTA：Repeat START. 置1时，CPU发送REPEAT START
BCST：置1，CPU接收广播信息（信息的slave addr为7个0）

2.4 I2CSR 状态寄存器

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MCF：0  Byte transfer is in process
     1  Byte transfer is completed

MAAS：当CPU作为Slave时，若I2CDR与会话中Slaveaddr匹配，此bit被置1

MBB：0 I2C bus idle  
     1 I2C bus busy

MAL：若置1，表示仲裁失败
BCSTM：若置1，表示接收到广播信息

SRW：When MAAS is set, SRW indicates the value of the R/W command bit of the calling address, which is sent from the master.
   0 Slave receive, master writing to slave
   1 Slave transmit, master reading from slave

MIF：Module interrupt. The MIF bit is set when an interrupt is pending, causing a processor interrupt request(provided I2CCR[MIEN] is set)

RXAK：若置1，表示收到了ACK

2.5 I2CDR 数据寄存器

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这个寄存器储存CPU将要传输的数据。

3. PPC-Linux中I2C的实现
 
  内核代码中，通过I2C总线存取寄存器的函数都在文件drivers/i2c/busses/i2c-mpc.c中
  最重要的函数是mpc_xfer.

  1. static int mpc_xfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, int num)
  2. {
  3. struct i2c_msg *pmsg;
  4. int i;
  5. int ret = 0;
  6. unsigned long orig_jiffies = jiffies;
  7. struct mpc_i2c *i2c = i2c_get_adapdata(adap);
  8. mpc_i2c_start(i2c);    // 设置I2CCR[MEN], 使能I2C module
  9. /* Allow bus up to 1s to become not busy */
  10. //一直读I2CSR[MBB]，等待I2C总线空闲下来
  11. while (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MBB) {
  12. if (signal_pending(current)) {
  13. pr_debug("I2C: Interrupted\n");
  14. writeccr(i2c, 0);
  15. return -EINTR;
  16. }
  17. if (time_after(jiffies, orig_jiffies + HZ)) {
  18. pr_debug("I2C: timeout\n");
  19. if (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) ==
  20. (CSR_MCF | CSR_MBB | CSR_RXAK))
  21. mpc_i2c_fixup(i2c);
  22. return -EIO;
  23. }
  24. schedule();
  25. }
  26. for (i = 0; ret >= 0 && i < num; i++) {
  27. pmsg = &msgs[i];
  28. pr_debug("Doing %s %d bytes to 0x%02x - %d of %d messages\n",
  29. pmsg->flags & I2C_M_RD ? "read" : "write",
  30. pmsg->len, pmsg->addr, i + 1, num);
  31. //根据消息里的flag进行读操作或写操作
  32. if (pmsg->flags & I2C_M_RD)
  33. ret = mpc_read(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
  34. else
  35. ret = mpc_write(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
  36. }
  37. mpc_i2c_stop(i2c);    //保证为I2CCSR[MSTA]为0，保证能触发STOP
  38. return (ret < 0) ? ret : num;
  39. }
  1. static int mpc_write(struct mpc_i2c *i2c, int target,
  2. const u8 * data, int length, int restart)
  3. {
  4. int i;
  5. unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
  6. u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;
  7. /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能起来
  8. if (!restart)
  9. writeccr(i2c, CCR_MEN);
  10. /* Start as master */       //写了I2CCR[CCR_MSTA]，触发CPU发起START信号
  11. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);
  12. /* Write target byte */     //CPU发送一个字节，slave I2C addr和0 (写操作bit)
  13. writeb((target << 1), i2c->base + MPC_I2C_DR);
  14. if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)    //等待slave 发ACK
  15. return -1;
  16. for (i = 0; i < length; i++) {
  17. /* Write data byte */
  18. writeb(data[i], i2c->base + MPC_I2C_DR); //CPU接着发数据，包括reg addr和data
  19. if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)       //等待slave 发ACK
  20. return -1;
  21. }
  22. return 0;
  23. }
  1. static int i2c_wait(struct mpc_i2c *i2c, unsigned timeout, int writing)
  2. {
  3. unsigned long orig_jiffies = jiffies;
  4. u32 x;
  5. int result = 0;
  6. if (i2c->irq == 0)
  7. {    //循环读I2CSR，直到I2CSR[MIF]置1
  8. while (!(readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MIF)) {
  9. schedule();
  10. if (time_after(jiffies, orig_jiffies + timeout)) {
  11. pr_debug("I2C: timeout\n");
  12. writeccr(i2c, 0);
  13. result = -EIO;
  14. break;
  15. }
  16. }
  17. x = readb(i2c->base + MPC_I2C_SR);
  18. writeb(0, i2c->base + MPC_I2C_SR);
  19. } else {
  20. /* Interrupt mode */
  21. result = wait_event_interruptible_timeout(i2c->queue,
  22. (i2c->interrupt & CSR_MIF), timeout * HZ);
  23. if (unlikely(result < 0)) {
  24. pr_debug("I2C: wait interrupted\n");
  25. writeccr(i2c, 0);
  26. } else if (unlikely(!(i2c->interrupt & CSR_MIF))) {
  27. pr_debug("I2C: wait timeout\n");
  28. writeccr(i2c, 0);
  29. result = -ETIMEDOUT;
  30. }
  31. x = i2c->interrupt;
  32. i2c->interrupt = 0;
  33. }
  34. if (result < 0)
  35. return result;
  36. if (!(x & CSR_MCF)) {
  37. pr_debug("I2C: unfinished\n");
  38. return -EIO;
  39. }
  40. if (x & CSR_MAL) {    //仲裁失败
  41. pr_debug("I2C: MAL\n");
  42. return -EIO;
  43. }
  44. if (writing && (x & CSR_RXAK)) {//写后没收到ACK
  45. pr_debug("I2C: No RXAK\n");
  46. /* generate stop */
  47. writeccr(i2c, CCR_MEN);
  48. return -EIO;
  49. }
  50. return 0;
  51. }
  1. static int mpc_read(struct mpc_i2c *i2c, int target,
  2. u8 * data, int length, int restart)
  3. {
  4. unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
  5. int i;
  6. u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;
  7. /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能
  8. if (!restart)
  9. writeccr(i2c, CCR_MEN);
  10. /* Switch to read - restart */
  11. //注意这里，再次把CCR_MSTA置1，再触发 START
  12. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);
  13. /* Write target address byte - this time with the read flag set */
  14. //CPU发送slave I2C addr和读操作1
  15. writeb((target << 1) | 1, i2c->base + MPC_I2C_DR);

//等待Slave发ACK

    1. if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)
    2. return -1;
    3. if (length) {
    4. if (length == 1)
    5. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);
    6. else //为什么不置 TXAK
    7. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA);
    8. /* Dummy read */
    9. readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    10. }
    11. for (i = 0; i < length; i++) {
    12. if (i2c_wait(i2c, timeout, 0) < 0)
    13. return -1;
    14. /* Generate txack on next to last byte */
    15. //注意这里TXAK置1，表示CPU每收到1byte数据后，会发送ACK
    16. if (i == length - 2)
    17. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);
    18. /* Generate stop on last byte */
    19. //注意这里CCR_MSTA [1->0] CPU会触发STOP
    20. if (i == length - 1)
    21. writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_TXAK);
    22. data[i] = readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    23. }
    24. return length;
    25. }
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