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1 第十七章 IIC通信

第十七章 IIC通信

本章代码，查看我的github网站：https://github.com/weiqi7777/s5pv210

1、IIC的总线空闲状态、起始位、结束位

IIC总线上有n（n>=1）个主设备，m（m>=1）个从设备。IIC总线上有2种状态；空闲态（所有从设备都未和主设备通信，此时总线空闲）和忙态（其中一个从设备在和主设备通信，此时总线被这一对占用，其他设备不能占用总线）。

整个通信分为一个周期一个周期的，两个相邻的通信周期是空闲态。每一个通信周期由一个起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通信数据。

下图是起始位和结束位。

起始位：起始位是一个时间段，在这段时间内总线状态变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA发生一个从高到低的下降沿。

结束位：结束位也是一个时间段，在这段时间内总线状态变化情况是：SCL维持高电平，同时SDA发生一个从低到高的上升沿。

2、IIC数据传输格式（数据位和ACK）

每一个通信周期的发起和结束都是由主设备来做的，从设备只有被动的响应主设备，没法自己自发的去做任何事情。

主设备在每个周期会先发8位的从设备地址（其实8位中只有7位是从设备地址，还有1位表示主设备要写入还是读取）到总线（主设备是以广播的形式发送，只要总线上的所有从设备都能收到这个信息），然后总线上的每个从设备都能收到这个地址，并且收到地址后，和自己的地址比较，看是否相等。如果相等，说明主设备本次通信就是和自己，如果不相等，说明不是和自己通信，忽略后续接收的所有数据。

主设备发送一段数据后，从设备（接收方）需要回应一个ACK。这个响应本身只有1个bit位，不能携带有效信息，只能表示要么收到数据，即有效响应；要么表示未收到响应，无效响应。

在某一个通信时刻，主设备和从设备只能有一个在发（占用总线，向总线写），另一个在收（释放总线，从总线读）。如果在某个时间主设备和从设备都试图向总线写那就会出问题，通信就要出问题。

上图是IIC控制器能产生的四种时序。其中灰色的A，表示需要响应，非灰色的A，表示不需要响应。在真正和外部芯片使用IIC通信时，要将上述的四种时序进行组合实现读写。

对于1，将要写的地址写入I2CDS寄存器，将I2CSTAT写入0xf0，主发送模式。控制器会自动的产生开始信号，并将数据发送出去，接收响应信号。

对于2，将要写的地址写入I2CDS寄存器，将I2CSTAT写入0xb0，主接收模式。控制器会自动的产生开始信号，并将数据发送出去，接收响应信号。

对于3，将要写的数据写入I2CDS寄存器，将I2CCON的第4位中断标志位清零，控制器会自动将数据发送出去，接收响应信号。

对于4，直接去读I2CCON的第4位中断标志位，为1，说明数据接收完毕，控制器将接收到的数据放入到寄存器I2CDS中，并产生响应信号。

3、数据在总线上的传输协议

IIC通信时基本的数据单位也是以字节为单位，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。

起始位后的8个clk都是主设备在发送（主设备掌控总线），此时从设备只能读取总线，通过读总线来得知主设备发给从设备的信息；到了第9周期，从设备需要发送ACK给主设备，此时主设备要释放总线，以接收从设备响应。从设备将SDA线拉低，表示响应。如果从设备没有拉低SDA线，发ACK。主设备就应该认为刚刚发送的数据不正确。

4、IIC的时钟

IIC的时钟来源于PCLK_PSYS（65M），经过了两级分频。在I2CCON寄存器中，第6位，第一级分频，得到中间时钟I2CCLK，然后在根据[3:0]的值，进行第二级分频。得到TX时钟。

5、S5PV210的IIC控制器

通信双方本质上是通过时序在工作，但是时序会比较复杂，不利于soc软件去实现，于是， soc内部内置了硬件的IIC控制器来产生通信时序。这样编程时，只需要向控制器的寄存器中写入相应值即可。控制器会产生适当的时序在通信线上和对方通信。

IIC控制器有4个IIC接口。

结构框图：

IIC控制器使用的是PCLK_PSYS时钟。经过一个4-bit的预分频器得到IIC通信的CLK时钟。通信中这个CLK会通过SCL传给从设备。

IIC总线控制逻辑（代表是I2CCON，I2CSTAT两个寄存器），主要负责产生I2C通信时序，实际编程中要发起始位、停止位、接收ACK等都是通过这两个寄存器实现。

移位寄存器（shift registe），实现将一个字节数据按位从SDA发送出去，或者从SDA按位接收一个字节数据。

地址寄存器+比较器，如果IIC控制器作为从设备的时候，需要一个地址来实现与主设备的通信。210可以通过这个地址寄存器来设置地址。

5.1、I2CCON寄存器

第七位：acknowledge generation, IIC控制器产生响应信号。当在发送的时候，IIC控制器不会控制SDA产生响应。，在读取的时候，主设备如果要继续读取数据，应该在读完一个数据后，发送ACK响应，如果不准备读取数据了，应该发送NACK响应，以提示从设备准备接收响应信号。所以在读操作最后一个数据之前，要将这一位置1，表示发送ACK，否则将这一位置0，表示发送NACK。

第六位：设置IIC时钟的第一级分频。

第五位：设置IIC中断使能/禁止功能，推荐将该位置1，即使不使用I2C中断功能。因为为0，I2CCON[4]会工作不正确。

第四位： IIC中断挂起标志位，为1表示IIC中断产生，此时SCL为低电平，IIC通信停止。写入0，清除中断标志位，重启IIC通信。

第三到0位：设置预分频值。

Note中提到：

中断产生，Interrupt pending flag置1：

当1个字节传输或者接收完成，并且响应也处理完成，会产生中断
或者是IIC当做从设备，接收到地址和自己的地址匹配时，也会置1
总线仲裁错误

5.2、IICSTAT寄存器

第7、第6位：模式选择。选择当前IIC通信时以什么模式。有四种模式：从接收模式，从发送模式，主发送模式，主接收模式

第5位：忙信号状态。读的话，0忙，1不忙。写的话，写0表示发停止位、写1表示发开始位，然后再I2CDS中的数据会自动的传输出去。

第4位：数据输出使能、禁止。IIC通信的时候要使能，不传输的时候可以禁止。

第3位：仲裁状态标志。 0总线仲裁成功，1总线仲裁不成功。

第2位：作为从设备，判断外部发的地址是否和自己的地址匹配，1表示匹配。

第1位：接收的地址为0判断，为1，表示接收的地址是0.

第0位：上一次接收数据状态，其实就是判断接收到的响应是什么。为0，表示接收到响应，为1表示没有接收到响应。

5.3、I2CADDA

设置I2C控制器作为从设备时的地址

I2CDS： I2C上传输的数据，需要向外发送数据时，将数据写入到该寄存器中。当从外读取数据时，读取该寄存器。

6、210上gsensor传感器

九鼎开发板上的gsensor的原理图。使用IIC进行通信。加速度传感器。

前面的芯片是一个电源芯片，通过PWMTOUT3来控制电源输出是否时能。通过控制PWMTOUT3，就可以实现gsensor芯片的上电和断电，从而节省功耗。

Gsensor的SDA和SCL使用的是s5pv210的I2C端口0。

编程时，要在gsensor_init函数中要去初始化相应的GPIO，要把相应的GPIO设置为正确的模式和输入输出值。

一般传感器的接口有两种：模拟接口和数字接口。模拟接口是用接口电平变化来作为输出（如模拟接口的压力传感器，在压力不同时输出电平在0~3.3V范围内变化，每一个电压对应一个压力），soc需要用AD接口来对接这种传感器对它输出的数据进行AD转换，准换得到数字电压值，再用数字电压值去校准得到压力值；数字接口是后来发展出来的，数据接口的sensor是在模拟接口的sensor基础上，内部集成了AD，直接（通过一定的总线接口协议，一般是IIC）输出数字值的的参数，外部soc直接通过总线接口，读取传感器输出的参数即可（如gsensor，电容触摸屏IC）。

该传感器的地址。数据手册KXTE9-2050 Specifications Rev 3的第8页，有说明该传感器的IIC地址是0001111。

IIC通信格式

S：开始位

Sr：重新发起开始为

P：停止位

SAD + W: 地址加写操作

SAD + R：地址加读操作

ACK：从设备给主设备的响应

NACK：主设备给从设备的响应。

DATA：数据

通信速率，IIC最高400hz。

7、IIC总线的通信流程

7.1、210的主发送流程图

作为主设备发送的流程图。

在操作之前，会有一定的要求。

7.2、210的主接收流程图

作为主设备接收的流程图。

7.3、IIC读写一个字节实例代码

7.3.1、写一个字节

对于写，网上的参考代码：

自己写的代码，加入了超时判断，通过函数的返回值，可以知道是成功还是超时

写一个字节

int  gsensor_write_byte(uint8_t add, uint8_t data)
{
    int timeout =TIMEOUT_VALUE;
    volatile int i;
    int res=0;
    //发设备地址
    I2CDS = SLAVE_ADDRESS_W;
    I2CSTAT = 0xf0;
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发设备地址响应超时判断，超时返回1
        if(timeout-- == 0) {    
            res = 1;
            return res;
        }            
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01) { //如果设备地址（写）无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<<3);
    }
//    printf("dev(write) I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //发数据地址
    I2CDS = add;
    I2CCON &= ~(1<<4); //清除中断，重新发起写操作,写地址
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    timeout =TIMEOUT_VALUE;
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发数据地址响应超时判断，超时返回2
        if(timeout-- == 0) {
            res = 2;
            return res;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01 ) { //如果数据地址无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<< 5);
    }
//    printf("add I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //发送数据
    I2CDS = data;
    I2CCON &= ~(1<<4); //清除中断，重新发起写操作，写数据
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    timeout =TIMEOUT_VALUE;
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发数据响应超时判断，超时返回3
        if(timeout-- == 0) {
            res = 3;
            return res;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01 ) {//如果写数据无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<< 6);
    }
//    printf("data(write) I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //发停止位
    I2CSTAT = 0xd0;    
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    timeout = TIMEOUT_VALUE;
    while( (I2CSTAT&0x20) == 0){ //判断IIC BUS不忙超时判断，超时返回4
        if(timeout-- == 0) {
            res = 4;
            return res;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CSTAT&0x20) == 0);
#endif
    I2CCON = IIC_CON_VALUE; //重新设置I2CCON，为下一次做准备
    for(i=0; i<50;i++); //延时,以保证两次IIC操作间隔不太快
    return res;
}

使用逻辑分析仪抓的波形。

第一个绿色部分，是发送的起始位，然后发送7位从设备地址和写使能，然后读取设备响应，再发送需要写入的地址，再接收读取设备响应。接着发送写的数据，写完之后，再接收响应，写完之后，发送结束位，表示写结束。

7.3.2、读一个字节

过程：

网上的代码如下：

自己写的代码，对于读一个字节

int gsensor_read_byte(uint8_t add, uint8_t *data) {
    int timeout =TIMEOUT_VALUE;
    int res=0;
    volatile int i;
    //发送设备地址（写）
    I2CDS = SLAVE_ADDRESS_W;
    I2CSTAT = 0xf0;
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发设备地址（写）响应超时判断，超时返回1
        if(timeout-- == 0) {
            res = 1;
            return res;;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01) { //如果设备地址（写）无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<<3);
    }
//    printf("dev(write) I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //发送读数据地址
    timeout =TIMEOUT_VALUE;
    I2CDS= add;
    I2CCON &= ~(1<<4);
#ifdef DETECT_TIMEOUT    
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发读数据地址响应超时判断，超时返回2
        if(timeout-- == 0) {
            res = 2;
            return res;;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01 ) { //如果数据地址无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<< 5);
    }
//    printf("add I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //重新产生开始信号,并重新发送设备地址（读）
    timeout =TIMEOUT_VALUE;
    I2CDS = SLAVE_ADDRESS_R;
    I2CSTAT = 0xb0;
    I2CCON &= ~(1<<4);
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //发设备地址（读）响应超时判断，超时返回3
        if(timeout-- == 0) {
            res = 3;
            return res;;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if(I2CSTAT&0x01) { //如果设备地址（读）无响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<<4);
    }
//    printf("dev(read) I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    //读取数据，读数据时不产生ACK信号
    timeout =TIMEOUT_VALUE;
    I2CCON &= ~(1<<7 | 1<<4); //清中断标志位，关闭ACK应答
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    while( (I2CCON&0x10) == 0){ //读数据响应超时判断，超时返回4
        if(timeout-- == 0) {
            res = 4;
            return res;;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CCON&0x10) == 0);
#endif
    if( !(I2CSTAT&0x01) ) { //如果读数据有响应，置为标志
        res |= (1<<7 | 1<< 6);
    }
//    printf("data(read) I2CSTAT: 0x%x\r\n",I2CSTAT);
    *data = I2CDS;
    //发停止位
    I2CSTAT = 0x90;
    timeout = TIMEOUT_VALUE;
#ifdef DETECT_TIMEOUT
    while( (I2CSTAT&0x20) == 0){ //判断IIC BUS不忙超时判断，超时返回5
        if(timeout-- == 0) {
            res = 5;
            return res;;
        }
        delay_us(10);
    }
#else
    while( (I2CSTAT&0x20) == 0);
#endif
    I2CCON = IIC_CON_VALUE; //重新设置I2CCON，为下一次做准备
    for(i=0; i<50;i++); //延时,以保证两次IIC操作间隔不太快
    return res;
}

使用逻辑分析仪抓的波形。

第一个绿色部分，是发送的起始位，然后发送7位从设备地址和写使能，然后读取设备响应，再发送需要读取的地址，再接收读取设备响应。第二个绿色部分，重新发送起始位，然后发送7位从设备地址和读使能，接着读取设备响应，之后，就读取数据了，因为只读取一个数据，所需不需要发送ack，直接发送NAK。最后一个红色，表示结束位。

8、调试过程中，出现的问题

在IIC调试中，出现以下情况，SCL出现8个周期后就一直为高电平了。要等自己设置的超时时间后，才回归正常。

通过代码测试，发现将IIC的管脚的上拉使能，可以有效减小上面出现的情况。不过在最开始IIC数据传输的时候，也是有可能发生的。但是时间越久，发生的几率就越低了。

隔一段时间，就发现很正常了。

对于IIC器件，不能一直读取，否则会出现响应一直是NANK。

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CORTEX-A8裸机系列：第十七章 IIC通信

第十七章 IIC通信

1、IIC的总线空闲状态、起始位、结束位

2、IIC数据传输格式（数据位和ACK）

3、数据在总线上的传输协议

4、IIC的时钟