《12.I2C通訊詳解》

第一部分、章節目錄
1.12.1.什麼是I2C通訊
1.12.2.由I2C學通訊時序
1.12.3.S5PV210的I2C控制器
1.12.4.X210板載gsensor介紹
1.12.5.I2C匯流排的通訊流程
1.12.6.I2C通訊程式碼分析1
1.12.7.I2C通訊程式碼分析2

第二部分、章節介紹
1.12.1.什麼是I2C通訊
本節簡單介紹I2C介面的物理特徵、通訊特徵（序列、同步、非差分、低速率）、主從裝置、匯流排式通訊等概念，希望大家對I2C匯流排通訊有個框架性的瞭解。
1.12.2.由I2C學通訊時序
本節主要講解I2C匯流排的通訊時序，希望借用I2C通訊的時序分析讓大家明白通訊介面究竟是如何工作的。儘管現代SoC都是通過專用控制器來產生時序訊號並不需自己編碼，但是理解這些時序仍然對程式設計有很積極的作用。
1.12.3.S5PV210的I2C控制器
本節介紹S5PV210的I2C控制器，主要講了它的結構框圖、時鐘來源與分頻、主要暫存器及其作用分析等。
1.12.4.X210板載gsensor介紹
本節帶領大家學習X210開發板上自帶的gsensor晶片，主要是通過分析原理圖、資料手冊讓大家對gsensor晶片的I2C介面、讀寫流程圖等有個瞭解，以不影響I2C匯流排通訊的學習。gsensor晶片本身的原理、暫存器列表、程式設計方法等並不是我們本課的重點。
1.12.5.I2C匯流排的通訊流程
本節結合S5PV210的資料手冊，來講解I2C匯流排的工作流程。主要講解主傳送、主接收這兩種流程，同時結合gsensor資料手冊中的操作流程來兩方印證。實際的程式設計就是按照這些流程在寫。
1.12.6.I2C通訊程式碼分析1
本節帶大家分析I2C通訊物理層的程式碼，原始碼來自於linux核心中。主要看了其中幾個I2C傳送接收的函式，通過函式的暫存器操作和上節講的資料手冊中的流程圖相印證，讓大家理解程式碼是怎麼寫出來的。
1.12.7.I2C通訊程式碼分析2
本節分析gsensor驅動，及其與I2C物理層驅動的關聯。通過這種層次結合和呼叫，讓大家對驅動的分層有所理解。
第三部分、隨堂記錄
1.12.1.什麼是I2C通訊
1.12.1.1、物理介面：SCL + SDA
(1)SCL(serial clock)：時鐘線，傳輸CLK訊號，一般是I2C主裝置向從裝置提供時鐘的通道。
(2)SDA(serial data): 資料線，通訊資料都通過SDA線傳輸

1.12.1.2、通訊特徵：序列、同步、非差分、低速率
(1)I2C屬於序列通訊，所有的資料以位為單位在SDA線上序列傳輸。
(2)同步通訊就是通訊雙方工作在同一個時鐘下，一般是通訊的A方通過一根CLK訊號線傳輸A自己的時鐘給B，B工作在A傳輸的時鐘下。所以同步通訊的顯著特徵就是：通訊線中有CLK
(3)非差分。因為I2C通訊速率不高，而且通訊雙方距離很近，所以使用電平訊號通訊。
(4)低速率。I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通訊，而且用來傳輸的資料量不大，所以本身通訊速率很低（一般幾百KHz，不同的I2C晶片的通訊速率可能不同，具體在程式設計的時候要看自己所使用的裝置允許的I2C通訊最高速率，不能超過這個速率）

1.12.1.3、突出特徵1：主裝置+從裝置
(1)I2C通訊的時候，通訊雙方地位是不對等的，而是分主裝置和從裝置。通訊由主裝置發起，由主裝置主導，從裝置只是按照I2C協議被動的接受主裝置的通訊，並及時響應。
(2)誰是主裝置、誰是從裝置是由通訊雙方來定的（I2C協議並無規定），一般來說一個晶片可以只能做主裝置、也可以只能做從裝置、也可以既能當主裝置又能當從裝置（軟體配置）。

1.12.1.3、突出特徵2：可以多個裝置掛在一條總線上（從裝置地址）
(1)I2C通訊可以一對一（1個主裝置對1個從裝置），也可以一對多（1個主裝置對多個從裝置）。
(2)主裝置來負責排程匯流排，決定某一時間和哪個從裝置通訊。注意：同一時間內，I2C的總線上只能傳輸一對裝置的通訊資訊，所以同一時間只能有一個從裝置和主裝置通訊，其他從裝置處於“冬眠”狀態，不能出來搗亂，否則通訊就亂套了。
(3)每一個I2C從裝置在通訊中都有一個I2C從裝置地址，這個裝置地址是從裝置本身固有的屬性，然後通訊時主裝置需要知道自己將要通訊的那個從裝置的地址，然後在通訊中通過地址來甄別是不是自己要找的那個從裝置。（這個地址是一個電路板上唯一的，不是全球唯一的）

1.12.1.3、主要用途：SoC和周邊外設之間的通訊（典型的如EEPROM、電容觸控IC、各種sensor等）

1.12.2.由I2C學通訊時序
1.12.2.1、什麼是時序？
(1)時序：字面意思，時序就是時間順序，實際上在通訊中時序就是通訊線上按照時間順序發生的電平變化，以及這些變化對通訊的意義就叫時序。

1.12.2.2、I2C的匯流排空閒狀態、起始位、結束位
(1)I2C總線上有1個主裝置，n（n>=1）個從裝置。I2C總線上有2種狀態；空閒態（所有從裝置都未和主裝置通訊，此時匯流排空閒）和忙態（其中一個從裝置在和主裝置通訊，此時匯流排被這一對佔用，其他從裝置必須歇著）。
(2)整個通訊分為一個週期一個週期的，兩個相鄰的通訊週期是空閒態。每一個通訊週期由一個起始位開始，一個結束位結束，中間是本週期的通訊資料。
(3)起始位並不是一個時間點，起始位是一個時間段，在這段時間內匯流排狀態變化情況是：SCL線維持高電平，同時SDA線發生一個從高到低的下降沿。
(4)與起始位相似，結束位也是一個時間段。在這段時間內匯流排狀態變化情況是：SCL線維持高電平，同時SDA線發生一個從低到高的上升沿。

1.12.2.3、I2C資料傳輸格式（資料位&ACK）
(1)每一個通訊週期的發起和結束都是由主裝置來做的，從裝置只有被動的響應主裝置，沒法自己自發的去做任何事情。
(2)主裝置在每個通訊週期會先發8位的從裝置地址（其實8位中只有7位是從裝置地址，還有1位表示主裝置下面要寫入還是讀出）到匯流排（主裝置是以廣播的形式傳送的，只要是總線上的所有從裝置其實都能收到這個資訊）。然後總線上的每個從裝置都能收到這個地址，並且收到地址後和自己的裝置地址比較看是否相等。如果相等說明主裝置本次通訊就是給我說話，如果不想等說明這次通訊與我無關，不用聽了不管了。
(3)傳送方傳送一段資料後，接收方需要回應一個ACK。這個響應本身只有1個bit位，不能攜帶有效資訊，只能表示2個意思（要麼表示收到資料，即有效響應；要麼表示未收到資料，無效響應）
(4)在某一個通訊時刻，主裝置和從裝置只能有一個在發（佔用匯流排，也就是向匯流排寫），另一個在收（從匯流排讀）。如果在某個時間主裝置和從裝置都試圖向匯流排寫那就完蛋了，通訊就亂套了。

1.12.3.4、資料在總線上的傳輸協議
(1)I2C通訊時的基本資料單位也是以位元組為單位的，每次傳輸的有效資料都是1個位元組（8位）。
(2)起始位及其後的8個clk中都是主裝置在傳送（這裝置掌控匯流排），此時從裝置只能讀取匯流排，通過讀匯流排來得知主裝置發給從裝置的資訊；然後到了第9週期，按照協議規定從裝置需要傳送ACK給主裝置，所以此時主裝置必須釋放匯流排（主裝置把匯流排置為高電平然後不要動，其實就類似於匯流排空閒狀態），同時從裝置試圖拉低匯流排發出ACK。如果從裝置拉低匯流排失敗，或者從裝置根本就沒有拉低匯流排，則主裝置看到的現象就是匯流排在第9週期仍然一直保持高，這對主裝置來說，意味著我沒收到ACK，主裝置就認為剛才給從裝置傳送的8位元組不對（接收失敗）

1.12.3.S5PV210的I2C控制器
通訊雙方本質上是通過時序在工作，但是時序會比較複雜不利於SoC軟體完成，於是乎解決方案是SoC內部內建了硬體的控制器來產生通訊時序。這樣我們寫軟體時只需要向控制器的暫存器中寫入配置值即可，控制器會產生適當的時序在通訊線上和對方通訊。
1.12.3.1、結構框圖
(1)時鐘部分，時鐘來源是PCLK_PSYS，經過內部分頻最終得到I2C控制器的CLK，通訊中這個CLK會通過SCL線傳給從裝置。
(2)I2C匯流排控制邏輯（前臺代表是I2CCON、I2CSTAT這兩個暫存器），主要負責產生I2C通訊時序。實際程式設計中要傳送起始位、停止位、接收ACK等都是通過這兩個暫存器（背後所代表的電路模組）實現的。
(3)移位暫存器（shift register），將程式碼中要傳送的位元組資料，通過移位暫存器變成1個位一個位的丟給SDA線上去傳送/接收。學過數位電路的同學應該對移位暫存器不陌生。
(4)地址暫存器+比較器。本I2C控制器做從裝置的時候用。(我沒用過，理論分析)

1.12.3.2、系統分析I2C的時鐘
(1)I2C時鐘源頭來源於PCLK（PCLK_PSYS，等於65MHz），經過了2級分頻後得到的。
(2)第一級分頻是I2CCON的bit6，可以得到一箇中間時鐘I2CCLK（等於PCLK/16或者PCLK/512）
(3)第二級分頻是得到最終I2C控制器工作的時鐘，以I2CCLK這個中間時鐘為來源，分頻係數為[1,16]
(4)最終要得到時鐘是2級分頻後的時鐘，譬如一個可用的設定是：65000KHz/512/4=31KHz

1.12.3.3、主要暫存器I2CCON、I2CSTAT、I2CADD、I2CDS
I2CCON + I2CSTAT：主要用來產生通訊時序和I2C介面配置。
I2CADD：用來寫自己的slave address
I2CDS：傳送/接收的資料都放在這裡

1.12.4.X210板載gsensor介紹
1.12.4.1、原理圖查閱
(1)gsensor的供電由PWMTOUT3引腳控制。當PWMTOUT3輸出低電平時gsensor無電不工作；當輸出高電平時gsensor才會工作。
(2)gsensor的SDA和SCL接的是S5PV210的I2C埠0
(3)將來程式設計時在gsensor_init函式中要去初始化相關的GPIO。要把相應的GPIO設定為正確的模式和輸入輸出值。

1.12.4.2、重力加速度感測器簡介
(1)用在手機、平板、智慧手錶等裝置上，用來感受人的手的移動，獲取一些運動的方向性資訊用來給系統作為輸入參量。
(2)可以用來設計智慧手錶的計步器功能。
(3)重力加速度感測器、地磁感測器、陀螺儀等三個感測器結合起來，都是用來感謝運動的速度、方位等資訊的，所以現在最新的有9軸感測器，就是把三者結合起來，並且用一定的演算法進行綜合得出結論，目的是更加準確。
(4)一般感測器的介面有2種：模擬介面和數字介面。模擬介面是用介面電平變化來作為輸出的（譬如模擬介面的壓力感測器，在壓力不同時輸出電平在0～3.3V範圍內變化，每一個電壓對應一個壓力。），SOC需要用AD介面來對接這種感測器對它輸出的資料進行AD轉換，轉換得到數字電壓值，再用數字電壓值去校準得到壓力值；數字介面是後來發展出來的，數字介面的sensor是在模擬介面的sensor基礎上，內部集成了AD，直接（通過一定的匯流排介面協議，一般是i2C）輸出一個數字值的引數，這樣SoC直接通過匯流排介面初始化、讀取感測器輸出的引數即可（譬如gsensor、電容觸控式螢幕IC）。

1.12.4.3、I2C從裝置的裝置地址
(1)KXTE9的I2C地址固定為0b0001111（0x0f）
(2)I2C從裝置地址本身是7位的，但是在I2C通訊中傳送I2C從裝置地址時實際傳送的是8位，這8位中高7位（bit7-bit1）對應I2C從裝置的7位地址，最低一位（LSB）存放的是R/W資訊（就是說下一個資料是主裝置寫從裝置讀（對應0），還是主裝置讀從裝置寫（對應1））
(3)基於上面講的，對於KXTE9來說，主裝置（SoC）發給gsensor資訊時，SAD應該是：0b00011110(0x1E)
如果是主裝置讀取gsensor資訊時，SAD應該是：0b00011111（0x1F）

1.12.4.4、I2C從裝置的通訊速率
(1)I2C協議本身屬於低速協議，通訊速率不能太高。
(2)實際上通訊的主裝置和從裝置本身都有最高的通訊速率限制（屬於各個晶片本身的引數），實際程式設計時怎麼確定最終的通訊速率？只要小於兩個即可。
(3)一般來說只能做從裝置的sensor晶片本身i2c通訊速率偏低，像KXTE9最高支援400KHz的頻率。

1.12.5.I2C匯流排的通訊流程
1.12.5.1、S5PV210的主傳送流程圖
1.12.5.2、S5PV210的主接收流程圖
1.12.5.3、gsensor的寫暫存器流程圖
1.12.5.4、gsensor的讀暫存器流程圖

1.12.6.I2C通訊程式碼分析1
1.12.6.1、I2C控制器初始化：s3c24xx_i2c_init
(1)初始化做的事情：初始化GPIO，設定IRQEN和ACKEN，初始化I2C時鐘
1.12.6.2、I2C控制器主模式開始一次讀寫：s3c24xx_i2c_message_start

1.12.6.3、I2C控制器主模式結束一次讀寫：s3c24xx_i2c_stop

1.12.7.I2C通訊程式碼分析2
框架分析：我們最終目的是通過讀寫gsensor晶片的內部暫存器來得到一些資訊。為了完成這個目的，我們需要能夠讀寫gsensor的暫存器，根據gsensor的規定我們需要按照一定的操作流程來讀寫gsensor的內部暫存器，這是一個層次（姑且叫做傳輸層、協議層、應用層）；我們要按照操作流程去讀寫暫存器，就需要考慮I2C介面協議（這就是所謂的物理層，本質就是那些時序）。此時主機SoC有或者沒有控制器，有控制器時考慮控制器的暫存器，沒控制器時要自己軟體模擬時序。
協議層的程式碼主要取決於gsensor晶片；物理層程式碼主要取決於主機SoC。

1.12.7.1、gsensor寫暫存器：gsensor_i2c_write_reg
1.12.7.2、gsensor讀暫存器：gsensor_i2c_read_reg
1.12.7.3、gsensor程式設計：gsensor_initial等