十五.ARM裸机学习之I2C通信详解

在博客STM32中对IIC做过整理,这里截取复习哈 2017/12/27 22:52

常用的串行总线协议:

常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。
其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信(一条时钟线,一条数据线)。
SPI总线则以同步串行3线方式进行通信(一条时钟线,一条数据输入线,一条数据输出线)。
SCI总线是以异步方式进行通信(一条数据输入线,一条数据输出线)。
1-wire,即单线总线,又叫单总线。例如DS18B20温度传感器就是用的这种总线结构.
我们这里重点详解下I2C串行总线,我们这里以数据手册的IIC时序图为例讲起,看不懂时序图的小伙伴必须补上来了.

一.I2C串行总线的组成及工作原理.

1.I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线,它只有两根双向信号线。一根是数据线SDA(serial data I/O),另一根是时钟线SCL(serial clock)。
2.如下图所示,IIC一条总线上可以挂多个器件,而每个器件都有唯一的地址,这样可以标识通信目标。数据的通信的方式采用主从方式,主机负责主动联系从机,而从机则被动回应数据并及时响应。
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二.I2C总线传输协议

1.数据位的有效性规定:

SCL为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有SCL信号为低电平期间,SDA状态才允许变化。如图所示
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2.I2C的起始和终止信号

SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;
SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号;
响应信号( ACK ):接收器在接收到8位数据后,在第9个时钟周期,拉低SDA电平。即接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传 递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障;如图所示
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下列三种情况不会有ACK信号:
A、当从机不能响应从机地址时(从机忙于其他事无法响应IIC总线操作或这个地址没有对应从机),在第9个SCL周期内SDA线没有被拉低,即没有ACK信号。这时,主机发送一个P信号终止传输或者重新发送一个S信号开始新的传输
B、从机接收器在传输过程中不能接收更多的数据时,也不会发出ACK信号。主机意识到这点,从而发出一个P信号终止传输或者从新发送一个S信号开始新的传输
C、主机接收器在接收到最后一个字节时,也不会发出ACK信号,于是,从机发送器释放SDA线,允许主机发送P信号结束传输

3.I2C字节的传送与应答

每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时,先传送最高位(MSB),每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位).如图所示
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4.应答位的作用

主机在发送数据时,每次发送一字节数据,都需要读取从机应答位,当从机空闲可以接收该字节数据时,从机会发出应答(一帧数据的第9位为“0”),当从机正忙于其他工作的处理来不及接收主机发送的数据时,从机会发出非应答(一帧数据的第9位为“1”)主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送,主机通过从机发出的应答位来判断从机是否成功接收数据.

当主机接收数据时,它收到最后一个数据字节后,必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后,从机释放SDA线,以允许主机产生终止信号。
贴个IIC总线在传送数据过程中信号时序图.好好研究好时序图,一切都可以轻松解决.
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● I2C是如何通信的?

s5pv210是发送或接受数据是如何区分多个子设备?可以看下图:开始通信以后,主设备首先会发送7bit位的slave device地址,和1bit位的rean或者write命令,
(1)如果为write命令,则主设备free SDA通信线(If the I2C-bus is free, both SDA and SCL lines should be both at High level.三星user manual),即SDA
为高位。然后从设备先ACK主设备(拉低SDA)表示收到命令(S)。然后主设备在发送8bit数据,从设备在ACK(A)。然然后结束(P)。
(2)如果为read命令,则从设备先ACK主设备(拉低SDA),然后发送8bit数据,主设备ACK从设备(拉低SDA),从设备在发送,直到主设备停止接收。
如下图所以,白色bit位为主设备发送,灰色bit位为从设备发送。
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三.S5PV210的I2C控制器

IIC控制器的作用:
通过硬件的控制器来产生通信的时序,软件只需要控制对应IIC控制器的寄存器的配置即可。通信双方的时序会由控制器自行分配。

1.结构框图分析
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时钟源:PCLK_PSYS=65MHz,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。
总线控制逻辑单元:产生IIC通信时序(设置I2CCON、I2CSTAT)
移位寄存器:将要发送的字节数据变成1bit移位到SDA线
I2CCON:时钟配置
I2CSTAT:操作模式及条件位发送,配合I2CCON一起用,产生通信时序和IIC接口配置
I2CADD:IIC地址,用来写自己的地址
I2CDS:数据移位器,发送和接收的地址放在这里
比较器+地址寄存器:作为从设备使用时将收到的地址与地址寄存器地址比较。

2.分析I2C的时钟
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(1)I2C时钟源头来源于PCLK(PCLK_PSYS,等于65MHz),经过了2级分频后得到的。
(2)第一级分频是I2CCON的bit6,可以得到一个中间时钟I2CCLK(等于PCLK/16或者PCLK/512)
(3)第二级分频是得到最终I2C控制器工作的时钟,以I2CCLK这个中间时钟为来源,分频系数为[1,16]
(4)最终要得到时钟是2级分频后的时钟,譬如这样设置:65000KHz/512/4 = 31KHz

3.主要寄存器I2CCON、I2CSTAT

I2CCON + I2CSTAT:主要用来产生通信时序和I2C接口配置,分析两个寄存器的bit位
I2CCON寄存器:
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I2CSTAT寄存器:
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四.S5PV210的I2C控制器通信流程分析

(1)S5PV210的主发送模式流程图
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(2)S5PV210的主接收模式流程图

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在SoC中I2C通信代码中,只需要按照上图中的流程图的顺序即可完成通信,I2C控制器内部电路模块已经帮我们实现了通信时序,我们不需要去关心具体时序过程。

五.S5PV210板载的I2C传感器

● I2C从设备的设备地址

(1)KXTE9的I2C地址固定为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从设备地址时实际发送的是8位,这8位中高7位(bit7-bit1)对应I2C从设备的7位地址,最低一位(LSB)存放的是R/W信息(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来说,
主设备(SoC)写给gsensor信息时,SAD应该是:0b00011110(0x1E)
如果是主设备读取gsensor信息时,SAD应该是:0b00011111(0x1F)**

● IIC传感器的读写寄存器流程图
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六.SoCI2C控制器通信代码分析
七.I2C传感器通信代码分析
目前只能根据代码分析对应寄存器的使用,对内部驱动代码不懂
研究了驱动后边补

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