LV08-01-I2C子系统-01-I2C协议

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了解下I2C协议。若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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一、I2C协议

可以参考这个文档：I2C-bus specification and user manual

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，我们还会放一个上拉电阻（放一个上拉电阻的原因以后我们再说）。

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i2c支持一主多从，各设备地址独立，标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s。总线通过上拉电阻接到电源。当 I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空 闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。2C物理总线使用两条总线线路，SCL和SDA。

  • SCL： 时钟线，数据收发同步
  • SDA： 数据线，传输具体数据

2. 怎么传输数据？

2.1 发球的例子

怎么通过I2C传输数据？我们需要把数据从主设备发送到从设备上去，也需要把数据从从设备传送到主设备上去，数据涉及到双向传输。举个例子，现在我们上体育课，我们的体育老师可以把球发给学生，也可以把球从学生中接过来。

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  • 发球：体育老师 → 学生

（1）老师：开始了(start)

（2）老师：A！我要发球给你！(地址/方向)

（3）学生A：到！(回应)

（4）老师把球发出去（传输）

（5）A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）

（6）老师：结束（停止）

  • 接球：学生 → 体育老师

（1）老师：开始了(start)

（2）老师：B！把球发给我！(地址/方向)

（3）学生B：到！

（4）B把球发给老师（传输）

（5）老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）

（6）老师：结束（停止）

2.2 I2C的信号

我们就使用上面这个简单的例子，来了解一下IIC的传输协议：

  • 老师说开始了，表示开始信号(start)
  • 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)
  • 老师发球/接球，表示数据的传输
  • 收到球要回应：回应信号(ACK)
  • 老师说结束，表示IIC传输结束(P)

下面我们回到I2C中，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)。I2C协议信号应该是在每个I2C器件的芯片手册中都有，我们找一个看一下：

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2.2.1 起始信号与结束信号

  • 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。
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当SCL线为高电平时，SDA线由高到低的下降沿，为传输开始标志(S)。直到主设备发出结束信号(P)， 否则总线状态一直为忙。结束标志(P)为，当SCL线为高电平时，SDA线由低到高的上升沿。

2.2.2 数据格式与应答信号(ACK/NACK)

  • 应答信号(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
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i2c的数据字节定义为8-bits长度，对每次传送的总字节数量没有限制,但对每一次传输必须伴有一个应答(ACK)信号， 其时钟由主设备提供，而真正的应答信号由从设备发出，在时钟为高时，通过拉低并保持SDA的值来实现。如果从设备忙， 它可以使 SCL保持在低电平，这会强制使主设备进入等待状态。当从设备空闲后，并且释放时钟线，原来的数据传输才会继续。3

2.2.3 主机与从机通信

完整的通信过程时序大概如下图：

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开始标志(S)发出后，主设备会传送一个7位的Slave地址，并且后面跟着一个第8位，称为Read/Write位。 R/W位表示主设备是在接受从设备的数据还是在向其写数据。然后，主设备释放SDA线，等待从设备的应答信号(ACK)。 每个字节的传输都要跟随有一个应答位。应答产生时，从设备将SDA线拉低并且在SCL为高电平时保持低。 数据传输总是以停止标志（P）结束，然后释放通信线路。 然而，主设备也可以产生重复的开始信号去操作另一台从设备， 而不发出结束标志。综上可知，所有的SDA信号变化都要在SCL时钟为低电平时进行，除了开始和结束标志

3. I2C传输数据的格式

3.1 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。

下图中白色背景表示”主→从”，灰色背景表示”从→主”

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3.2 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。

下图中白色背景表示”主→从”，灰色背景表示”从→主”

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3.3 读写实例

我们来看一下i2c对mpu6050进行数据读写的流程。

  • 单字节写入
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  • 连续字节写入
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对MPU6050进行写操作时，主设备发出开始标志(S)和写地址(地址位加一个R/W位，0为写)。 MPU6050产生应答信号。然后主设备开始传送寄存器地址(RA)，接到应答后，开始传送寄存器数据， 然后仍然要有应答信号，连续写入多字节时依次类推。

  • 单字节读出
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  • 连续字节读出
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对MPU6050进行读操作时，主设备发出开始标志(S)和读地址(地址位加一个R/W位，1为读)。 等待MPU6050产生应答信号。然后发送寄存器地址，告诉MPU6050读哪一个寄存器。 紧接着，收到应答信号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备读地址。 MPU6050产生应答信号并开始发送寄存器数据。通信以主设备产生的拒绝应答信号(NACK)和结束标志(P)结束。

3.3 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？（为什么SDA上要有上拉电阻？）

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：

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真值表如下：

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从真值表和电路图我们可以知道：

（1）当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动这个三极管

（2）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)

（3）想让SDA输出低电平，就驱动三极管

可以看个例子，了解下数据是怎么传的（实现双向传输）。主设备发送（8bit）给从设备

前8个clk：从设备不要影响SDA，从设备不驱动三极管。主设备决定数据，主设备要发送1时不驱动三极管，要发送0时驱动三极管

第9个clk：由从设备决定数据，主设备不驱动三极管。从设备决定数据，要发出回应信号的话，就驱动三极管让SDA变为0。从这里也可以知道ACK信号是低电平。

从上面的这个例子，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I2C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。

  • 对于IIC协议它只能规定怎么传输数据，数据是什么含义由从设备决定。

二、SMBus协议

参考资料：

1. SMBus是I2C协议的一个子集

1.1 SMBus是什么？

SMBus: System Management Bus，系统管理总线。SMBus最初的目的是为智能电池、充电电池、其他微控制器之间的通信链路而定义的。也被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM通讯设备等等。

SMBus 为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus 的系统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。

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

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1.2 有哪些更严格的要求？

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就是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和读数据。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

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  • SMBus Low Power Version ：SMBus也有低功耗的版本。

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。需要注意：

  • 下面文档中的Functionality flag是Linux的某个I2C控制器驱动所支持的功能。
  • 比如Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK，表示需要I2C控制器支持SMBus Quick Command

2.1 symbols(符号)

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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)

2.2 SMBus Quick Command

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_QUICK

2.3 接收/发送一个字节——不发Command Code

2.3.1 SMBus Receive Byte

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读取一个字节，可以看I2C-tools中的函数 i2c_smbus_read_byte()。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)。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE

2.3.2 SMBus Send Byte

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发送一个字节，可以看I2C-tools中的函数 i2c_smbus_write_byte()。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE

2.4 接收/发送一个字节——发送Command Code

2.4.1 SMBus Read Byte

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可以看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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE_DATA

2.4.2 SMBus Read Word

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可以看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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_WORD_DATA

2.4.3 SMBus Write Byte

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE_DATA

2.4.4 SMBus Write Word

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_WORD_DATA

2.4.5 SMBus Block Read

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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)，再发起读操作：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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_BLOCK_DATA

2.4.6 SMBus Block Write

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BLOCK_DATA

2.4.7 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：

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_READ_I2C_BLOCK

2.4.8 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：

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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。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_I2C_BLOCK

2.5 SMBus Block Write - Block Read Process Call

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先写一块数据，再读一块数据。

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Functionality flag: I2C_FUNC_SMBUS_BLOCK_PROC_CALL

2.6 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：

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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。