嵌入式Linux驱动开发（I2C专题）（一）

一、I2C协议

1.1、硬件连接

I2C在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线SCL,SDA线，在一条I2C总线上可以接很多I2C设备。

1.2、IIC传输数据的格式

1.2.1、写操作

流程如下：

• 主芯片要发出一个start信号
• 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
• 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
• 主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
• 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
• 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

1.2.2、读操作

流程如下：

• 主芯片要发出一个start信号
• 然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
• 从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
• 从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
• 每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
• 数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。

下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"

1.2.3、I2C信号

I2C协议中数据传输的单位是字节，也就是8位。但是要用到9个时钟：前面8个时钟用来传输8数据，第9个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。

• 开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA山高电平向低电平跳变，开始传送数据。
• 结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
• 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
• SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化

I2C协议信号如下：

1.2.4、协议细节

• 如何在SDA上实现双向传输？
  主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备，也可以从SDA上读取数据，连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。

• 主、从设备都可以通过SDA发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？
  在9个时钟里，
  前8个时钟由主设备发送数据的话，第9个时钟就由从设备发送数据；
  前8个时钟由从设备发送数据的话，第9个时钟就由主设备发送数据。

• 双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响SDA上的数据？
  设备的SDA中有一个三极管，使用开极/开漏电路(三极管是开极，CMOS管是开漏，作用一样)，如下图：
  
  真值表如下
  
  从真值表和电路图我们可以知道：

• 当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动这个三极管

• 想让SDA输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA通过上拉电阻变为高电平)

• 想让SDA输出低电平，就驱动三极管

从上面的例子，就可以知道怎样在一条线上实现双向传输，这就是SDA上要使用上拉电阻的原因。

为何SCL也要使用上拉电阻？
在第9个时钟之后，如果有某一方需要更多的时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把SCL拉低。
当SCL为低电平时候，大家都不应该使用IIC总线，只有当SCL从低电平变为高电平的时候，IIC总线才能被使用。
当它就绪后，就可以不再驱动三极管，这是上拉电阻把SCL变为高电平，其他设备就可以继续使用I2C总线了。

二、SMBus协议

2.1、SMBus是I2C协议的一个子集

SMBus是基于I2C协议的，SMBus要求更严格，SMBus是I2C协议的子集。

SMBus有哪些更严格的要求？跟一般的I2C协议有哪些差别？

• VDD的极限值不一样

  • I2C协议：范围很广，甚至讨论了高达12V的情况
  • SMBus：1.8V~5V

• 最小时钟频率、最大的Clock Stretching

  • Clock Stretching含义：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

  • I2C协议：时钟频率最小值无限制，Clock Stretching时长也没有限制

  • SMBus：时钟频率最小值是10KHz，Clock Stretching的最大时间值也有限制

• 地址回应(Address Acknowledge)

  • 一个I2C设备接收到它的设备地址后，是否必须发出回应信号？
  • I2C协议：没有强制要求必须发出回应信号
  • SMBus：强制要求必须发出回应信号，这样对方才知道该设备的状态：busy，failed，或是被移除了

• SMBus协议明确了数据的传输格式

  • I2C协议：它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义
  • SMBus：定义了几种数据格式(后面分析)

• REPEATED START Condition(重复发出S信号)

  • 比如读EEPROM时，涉及2个操作：
    • 把存储地址发给设备
    • 读数据
  • 在写、读之间，可以不发出P信号，而是直接发出S信号：这个S信号就是REPEATED START
  • 如下图所示
    

• SMBus Low Power Version

  • SMBus也有低功耗的版本

2.2、SMBus协议分析

对于I2C协议，它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义。
对于SMBus协议，它定义了几种数据格式。

2.2.1、symbols(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操作总，表示数据长度)
[..]:           Data sent by I2C device, as opposed to data sent by the host
                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)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

2.2.2、SMBus Quick Command

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，可以根据这一位来决定是打开还是关闭。

2.2.3、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)。

2.2.4、SMBus Send Byte

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

2.2.5、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)，再读取一个字节的数据。
上面介绍的SMBus Receive Byte是不发送Comand，直接读取数据。

2.2.6、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。

2.2.7、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。

2.2.8、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。

2.2.9、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

2.2.10、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)，最后发出全部数据。

2.2.11、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，如下图所示：

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)，最后发出全部数据。

2.2.12、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)，再发出1个字节的Byte Conut(表示后续要发出的数据字节数)，最后发出全部数据。

2.2.13、SMBus Block Write - Block Read Process Call

2.2.14、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：

2.3、SMBus和I2C的建议

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，软件方面也是可以使用I2C协议来模拟SMBus。
所以：Linux建议优先使用SMBus。