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)

powershell 复制代码

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)