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很清晰的解讀i2c協議【轉】

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1.I2C協議

   2條雙向序列線,一條資料線SDA,一條時鐘線SCL。
   SDA傳輸資料是大端傳輸,每次傳輸8bit,即一位元組。
   支援多主控(multimastering),任何時間點只能有一個主控。
   總線上每個裝置都有自己的一個addr,共7個bit,廣播地址全0.
   系統中可能有多個同種晶片,為此addr分為固定部分和可程式設計部份,細節視晶片而定,看datasheet。

1.1 I2C位傳輸
   資料傳輸:SCL為高電平時,SDA線若保持穩定,那麼SDA上是在傳輸資料bit;
   若SDA發生跳變,則用來表示一個會話的開始或結束(後面講)
   資料改變:SCL為低電平時,SDA線才能改變傳輸的bit

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 1.2 I2C開始和結束訊號
   開始訊號:SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送資料。
  結束訊號:SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,結束傳送資料。

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1.3 I2C應答訊號

   Master每傳送完8bit資料後等待Slave的ACK。
   即在第9個clock,若從IC發ACK,SDA會被拉低。
   若沒有ACK,SDA會被置高,這會引起Master發生RESTART或STOP流程,如下所示:

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 1.4 I2C寫流程
寫暫存器的標準流程為:
1.    Master發起START
2.    Master傳送I2C addr(7bit)和w操作0(1bit),等待ACK
3.    Slave傳送ACK
4.    Master傳送reg addr(8bit),等待ACK
5.    Slave傳送ACK
6.   Master傳送data(8bit),即要寫入暫存器中的資料,等待ACK
7.    Slave傳送ACK
8.    第6步和第7步可以重複多次,即順序寫多個暫存器
9.    Master發起STOP

寫一個暫存器

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 1.5 I2C讀流程

讀暫存器的標準流程為:
1.    Master傳送I2Caddr(7bit)和 W操作1(1bit),等待ACK
2.    Slave傳送ACK
3.    Master傳送reg addr(8bit),等待ACK
4.    Slave傳送ACK
5.   Master發起START
6.    Master傳送I2C addr(7bit)和 R操作1(1bit),等待ACK
7.    Slave傳送ACK
8.   Slave傳送data(8bit),即暫存器裡的值
9.   Master傳送ACK
10.    第8步和第9步可以重複多次,即順序讀多個暫存器

讀一個暫存器

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 讀多個暫存器

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 2. PowerPC的I2C實現

Mpc8560的CCSR中控制I2C的暫存器共有6個。

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2.1 I2CADR 地址暫存器

CPU也可以是I2C的Slave,CPU的I2C地址有 I2CADR指定

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 2.2 I2CFDR 頻率設定暫存器

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 The serial bit clock frequency of SCL is equal to the CCB clock divided by the divider.
用來設定I2C匯流排頻率

2.3 I2CCR 控制暫存器

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MEN: Module Enable.    置1時,I2C模組使能
MIEN:Module Interrupt Enable. 置1時,I2C中斷使能。
MSTA:Master/slave mode. 1 Master mode,0 Slave mode.
        當1->0時,CPU發起STOP訊號
        當0->1時,CPU發起START訊號
MTX:Transmit/receive mode select.0 Receive mode,1 Transmit mode
TXAK:Transfer acknowledge. 置1時,CPU在9th clock傳送ACK拉低SDA
RSTA:Repeat START. 置1時,CPU傳送REPEAT START
BCST:置1,CPU接收廣播資訊(資訊的slave addr為7個0)

2.4 I2CSR 狀態暫存器

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

MAAS:當CPU作為Slave時,若I2CDR與會話中Slaveaddr匹配,此bit被置1

MBB:0 I2C bus idle  
     1 I2C bus busy

MAL:若置1,表示仲裁失敗
BCSTM:若置1,表示接收到廣播資訊

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 資料暫存器

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這個暫存器儲存CPU將要傳輸的資料。

 

 

3. PPC-Linux中I2C的實現
 
  核心程式碼中,通過I2C匯流排存取暫存器的函式都在檔案drivers/i2c/busses/i2c-mpc.c中
  最重要的函式是mpc_xfer.
  

static int mpc_xfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, intnum)
{
    struct i2c_msg *pmsg;
    int i;
    int ret = 0;
    unsigned long orig_jiffies = jiffies;
    struct mpc_i2c *i2c = i2c_get_adapdata(adap);

    mpc_i2c_start(i2c);    // 設定I2CCR[MEN], 使能I2C module 

    /* Allow bus up to 1s to become not busy */
    //一直讀I2CSR[MBB],等待I2C匯流排空閒下來
    while (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MBB) {
        if (signal_pending(current)) {
            pr_debug("I2C: Interrupted\n");
            writeccr(i2c, 0);
            return -EINTR;
        }
        if (time_after(jiffies, orig_jiffies + HZ)) {
            pr_debug("I2C: timeout\n");
            if (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) ==
                (CSR_MCF | CSR_MBB | CSR_RXAK))
                mpc_i2c_fixup(i2c);
            return -EIO;
        }
        schedule();
    }

    for (i = 0; ret >= 0 && i < num; i++) {
        pmsg = &msgs[i];
        pr_debug("Doing %s %d bytes to 0x%02x - %d of %d messages\n",
             pmsg->flags & I2C_M_RD ? "read" : "write",
             pmsg->len, pmsg->addr, i + 1, num);        //根據訊息裡的flag進行讀操作或寫操作        if (pmsg->flags & I2C_M_RD) 
            ret = mpc_read(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
        else
            ret = mpc_write(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
    }
    mpc_i2c_stop(i2c);    //保證為I2CCSR[MSTA]為0,保證能觸發STOP
    return (ret < 0) ? ret : num;
}



static int mpc_write(struct mpc_i2c *i2c, int target,
             const u8 * data, int length, int restart)
{
    int i;
    unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
    u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

    /* Start with MEN */    //以防萬一,保證I2C模組使能起來
    if (!restart)
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
    /* Start as master */       //寫了I2CCR[CCR_MSTA],觸發CPU發起START訊號
    writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);
    /* Write target byte */     //CPU傳送一個位元組,slave I2C addr和0 (寫操作bit) 
    writeb((target << 1), i2c->base + MPC_I2C_DR);

    if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)    //等待slave 發ACK
        return -1;

    for (i = 0; i < length; i++) {
        /* Write data byte */
        writeb(data[i], i2c->base + MPC_I2C_DR); //CPU接著發資料,包括reg addr和data

        if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)       //等待slave 發ACK
            return -1;
    }

    return 0;
}



static int i2c_wait(struct mpc_i2c *i2c, unsigned timeout, int writing)
{
    unsigned long orig_jiffies = jiffies;
    u32 x;
    int result = 0;

    if (i2c->irq == 0)
    {    //迴圈讀I2CSR,直到I2CSR[MIF]置1
        while (!(readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MIF)) {
            schedule();
            if (time_after(jiffies, orig_jiffies + timeout)) {
                pr_debug("I2C: timeout\n");
                writeccr(i2c, 0);
                result = -EIO;
                break;
            }
        }
        x = readb(i2c->base + MPC_I2C_SR);
        writeb(0, i2c->base + MPC_I2C_SR);
    } else {
        /* Interrupt mode */
        result = wait_event_interruptible_timeout(i2c->queue,
            (i2c->interrupt & CSR_MIF), timeout * HZ);

        if (unlikely(result < 0)) {
            pr_debug("I2C: wait interrupted\n");
            writeccr(i2c, 0);
        } else if (unlikely(!(i2c->interrupt & CSR_MIF))) {
            pr_debug("I2C: wait timeout\n");
            writeccr(i2c, 0);
            result = -ETIMEDOUT;
        }

        x = i2c->interrupt;
        i2c->interrupt = 0;
    }

    if (result < 0)
        return result;

    if (!(x & CSR_MCF)) {
        pr_debug("I2C: unfinished\n");
        return -EIO;
    }

    if (x & CSR_MAL) {    //仲裁失敗
        pr_debug("I2C: MAL\n");
        return -EIO;
    }

    if (writing && (x & CSR_RXAK)) {//寫後沒收到ACK
        pr_debug("I2C: No RXAK\n");
        /* generate stop */
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
        return -EIO;
    }
    return 0;
}

 

static int mpc_read(struct mpc_i2c *i2c, int target,
            u8 * data, int length, int restart)
{
    unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
    int i;
    u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

    /* Start with MEN */    //以防萬一,保證I2C模組使能
    if (!restart)
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
    /* Switch to read - restart */    //注意這裡,再次把CCR_MSTA置1,再觸發 START 
    writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);


    /* Write target address byte - this time with the read flag set */ 
    //CPU傳送slave I2C addr和讀操作1
    writeb((target << 1) | 1, i2c->base + MPC_I2C_DR);
      
     //等待Slave發ACK    if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)
        return -1;

    if (length) {
        if (length == 1)
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);
        else //為什麼不置 TXAK
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA);
        /* Dummy read */
        readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    }

    for (i = 0; i < length; i++) {
        if (i2c_wait(i2c, timeout, 0) < 0)
            return -1;

        /* Generate txack on next to last byte */
        //注意這裡TXAK置1,表示CPU每收到1byte資料後,會發送ACK
        if (i == length - 2) 
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);

        /* Generate stop on last byte */
        //注意這裡CCR_MSTA [1->0] CPU會觸發STOP
        if (i == length - 1)    
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_TXAK);

        data[i] = readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    }

    return length;
}