I2C介绍

I2C硬件框架

• 一个Soc一般有多个I2C接口，一条I2C总线上，可以挂载一个或多个I2C设备，I2C设备用地址区分。
• I2C总线上，有两条线，一条是SCL时钟线，一条是SDA线，这两条线上都有上拉电阻

I2C软件框架

• App：不关心底层实现细节，只需要调用设备驱动程序提供的接口。
• 芯片驱动：知道芯片要求的地址、数据格式；知道怎么发出信号才能让芯片工作，一些芯片特定的工作状态；构造好数据结构给I2C控制器。
• I2C控制器驱动：根据I2C协议发出各类信号，I2C设备地址、I2C存储地址、数据；根据I2C协议判断数据

I2C协议学习

I2C协议

I2C协议规定，总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。
起始和结束信号产生条件：总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件；当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。

传输数据流程：数据传输以字节为单位，主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，当一个字节按数据位从高位到低位的顺序传输完后，紧接着从设备将拉低SDA线，回传给主设备一个应答位， 此时才认为一个字节真正的被传输完成。

主设备在传输有效数据之前需要先指定从设备地址，地址指定过程和上面数据传输过程一样，只不过大多数从设备的地址是7位，协议规定添加一个最低位，用来表示数据传输方向，0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据。
向指定设备发送数据的格式，如下图所示，(每一最小包数据由9bit组成，8bit内容+1bit ACK, 如果是地址数据，则8bit包含1bit方向)

主设备往从设备写数据

主设备往从设备读数据

主设备往从设备写数据，重启起始条件，然后往从设备读取数据

SMBUS协议

SMBus最初的目的是为了智能电池、充电电池、其他微控制器之间的通信链路而定义的。
SMBus为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用SMBus的系统，设备之间发送和接手消息都是通过SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备管脚数。SMBus是I2C协议的子集。

• Linux内核文档:Documentation\i2c\smbus-protocol.rst
• SMBus协议: http://www.smbus.org/specs/
• 因为很多设备都实现了SMBus,而不是更宽泛的I2C协议,所以优先使用SMBus。 即使I2C控制器没有实现SMBus,软件方面也是可以用I2C协议来模拟SMBus。 所以:Linux建议优先使用SMBus

	I2C	SMBus
VDD	范围很广,0~12v	1.8V~5V
最小时钟频率	时钟频率最小值无限制	时钟频率最小值是10KHz
最大的Clock Stretching1	没有限制	有限制
地址回应(Address Acknowledge)	没有强制要求必须发出回应信号	强制要求必须发出回应信号2
数据的传输格式	只定义了如何传输数据，格式由设备定义	定义了几种数据格式（后面分析）
重复发出S信号（REPEATED START Condition）	需要发送S信号	可以不发出P信号，而是直接发出S信号3
低功耗版本（ Low Power Version）	无	有

1. symbol符号

• S (1 bit) : Start bit(开始位)
• Sr (1 bit) : 重复的开始位
• P (1 bit) : Stop bit(停止位)
• R/W# (1 bit) : Read/Write bit. Rd equals 1, Wr equals 0.(读写位)
• A, N (1 bit) : Accept and reverse accept bit.(回应位)
• Address(7 bits): I2C 7 bit address. Note that this can be expanded as usual to get a 10 bit I2C address.(地址位,7位地址)
• Command Code (8 bits): Command byte, a data byte which often selects a register on the device.(命令字节,一般用来选择芯片内部的寄存器)
• Data Byte (8 bits): A plain data byte. Sometimes, I write DataLow, DataHigh for 16 bit data.(数据字节,8位;如果是16位数据的话,用2个字节来表示:DataLow、DataHigh)
• Count (8 bits): A data byte containing the length of a block operation.(在block操作中,表示数据长度)
  adapter.
  (中括号表示I2C设备发送的数据,没有中括号表示host adapter发送的数据)

2. SMBus Quick Command Protocal

只是用来发送一位数据:R/W#本意是用来表示读或写,但是在SMBus里可以用来表示其他含义。 比如某些开关设备,可以根据这一来决定是打开还是关闭。

Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK

3. SMBus Receive Byte

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_read_byte()，读取一个字节,Host adapter接收到一个字节后不需要发出回应信号(上图中N表示不回应)。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE

4. SMBus Send Byte

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_write_byte()， 发送一个字节。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE

5. SMBus Read Byte

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_read_byte_data()。 先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再读取1个字节的数据。 上面介绍的SMBus Receive Byte是不发Comand,直接读取数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA

6. SMBus Read Word

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_read_word_data()。先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再读取2个字节的数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_READ_WORD_DATA

7. SMBus Write Byte

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_write_byte_data()。 先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再发出1个字节的数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE_DATA

8. SMBus Write Word

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_write_word_data()。 先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再发出1个字节的数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_WORD_DATA

9. SMBus Block Read

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_read_block_data()。
先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再发起度操作:

• 先读到一个字节(Block Count),表示后续要读的字节数
• 然后读取全部数据
  Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

10. SMBus Block Write

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_write_block_data()。 先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再发出1个字节的Byte Conut(表示后续要发出的数据字节数),最后发全部数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BLOCK_DATA

11. I2C Block Read

在一般的I2C协议中,也可以连续读出多个字节。 它跟SMBus Block Read的差别在于设备发出的第1个数据不是长度N,如下图
示:

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_read_i2c_block_data()。
先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再接收所有数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_READ_I2C_BLOCK

12. I2C Block Write

在一般的I2C协议中,也可以连续发出多个字节。 它跟SMBus Block Write的差别在于发出的第1个数据不是长度N,如下图所示:

I2C-tools中的函数:i2c_smbus_write_i2c_block_data()。
先发出Command Code(它一般表示芯片内部的寄存器地址),再发全部数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK

13. SMBus Block Write - Block Read Process Call

先写一块数据,再读一块数据。
Functionality flag⁴: I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL

14. Packet Error Checking (PEC)

PEC是一种错误校验码,如果使用PEC,那么在P信号之前,数据发送方要发送一个字节的PEC码(它是CRC-8码)。
以SMBus Send Byte为例,下图中,一个未使用PEC,另一个使用PEC:

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1. 某个设备需要更多时间进行内部的处理时,它可以把SCL拉低占住I2C总线 ↩︎

2. 这样对方才知道该设备的状态:busy,failed,或是被移除了 ↩︎

3. 这个S信号就是REPEATED START ↩︎

4. Functionality flag是Linux的某个I2C控制器驱动所支持的功能，比如I2C_FUNC_SMBUS_QUICK,表示需要I2C控制器支持SMBus Quick Command。 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎