LV08-01-I2C子系统-01-I2C协议

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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)。

image-20210220144722044

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。

image-20210220145618978
  • 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)。

  • 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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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 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:

image-20210220152057547

真值表如下:

image-20210220152134970

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)。

1
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()

1
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。

1
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。

1
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)。

SMBus Send Byte为例,下图中,一个未使用PEC,另一个使用PEC:

image-20210224113416249

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。