I2C总线和S5PV210的I2C总线控制器

一、什么是I2C通信协议？

1、物理接口：SCL + SDA

(1)SCL(serial clock)：时钟线，传输CLK信号，一般是I2C主设备向从设备提供时钟的通道。

(2)SDA(serial data): 数据线，通信数据都通过SDA线传输

2、通信特征：串行、同步、非差分、低速率、半双工

(1)I2C属于串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输。

(2)同步通信就是通信双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线传输A自己的时钟给B，B工作在A传输的时钟下。所以同步通信的显著特征就是：通信线中

有CLK。

(3)非差分。因为I2C通信速率不高，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信，其实还有一根GND线，用来构成电平信号，而不是差分信号。

(4)低速率。I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信，而且用来传输的数据量不大，所以本身通信速率很低（一般几百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具体

在编程的时候要看自己所使用的设备允许的I2C通信最高速率，不能超过这个速率）。

(5)半双工。因为I2C通信只有一个SDA数据线用来传输通信数据，所以一个通信周期只能是由一方发送给另一方，而不能双方同时发送，所以是半双工通信模式。

3、突出特征1：主设备+从设备

(1)I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接受主设备的通信，并及时响应。

(2)谁是主设备、谁是从设备是由通信双方来定的（I2C协议并无规定），一般来说一个芯片可以只能做主设备、也可以只能做从设备、也可以既能当主设备又能当从设备（软

件配置）。

4、突出特征2：可以多个设备挂在一条总线上（从设备地址）

(1)I2C通信可以一对一（1个主设备对1个从设备），也可以一对多（1个主设备对多个从设备）。

(2)主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪个从设备通信。注意：同一时间内，I2C的总线上只能传输一对设备的通信信息，所以同一时间只能有一个从设备和主设备通信

，其他从设备处于“冬眠”状态，不能出来捣乱，否则通信就乱套了。

(3)每一个I2C从设备在通信中都有一个I2C从设备地址，这个设备地址是从设备本身固有的属性，然后通信时主设备需要知道自己将要通信的那个从设备的地址，然后在通信中

通过地址来甄别是不是自己要找的那个从设备。（这个地址是一个电路板上唯一的，不是全球唯一的）。

5、主要用途

SoC和周边外设之间的通信（典型的如EEPROM、电容触摸IC、各种sensor等）。

二、I2C通信协议时序

1、I2C的总线空闲状态、起始位、结束位

(1)I2C总线上有1个主设备，n（n>=1）个从设备。I2C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，其他从设备必须歇着）。

(2)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。

(3)起始位并不是一个时间点，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线发生一个从高到低的下降沿。

(4)与起始位相似，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线维持高电平，同时SDA线发生一个从低到高的上升沿。

2、I2C数据传输格式（数据位&ACK）

(1)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。

(2)主设备在每个通信周期会先发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位表示主设备下面要写入还是读出）到总线（主设备是以广播的形式发送的，只要

是总线上的所有从设备其实都能收到这个信息）。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设备地址比较看是否相等。如果相等说明主设备本次

通信就是给我说话，如果不想等说明这次通信与我无关，不用听了不管了。

(3)发送方发送一段数据后，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2个意思（要么表示收到数据，即有效响应；要么表示未收到

数据，无效响应）。

(4)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，也就是向总线写），另一个在收（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完蛋

了，通信就乱套了。

主设备向从设备发送数据：

（有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A表示应答， A非表示非应答（高电平）。S表示起始信号，P表示终止信号。）

主设备向从设备获取数据：

 （从图中可以知道，当主设备需要停止通信的时候，在最后一次从设备发送给主设备数据之后，主设备是不需要发送ACK信号的，可以直接发送停止信号结束本次通信）

在通信过程中改变通信方向（以主设备发送数据转为主设备获取数据为例）

（在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。）

3、数据在总线上的传输协议

(1)I2C通信时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。

(2)起始位及其后的8个clk中都是主设备在发送（这设备掌控总线），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；然后到了第9周期，按照协议规定

从设备需要发送ACK给主设备，所以此时主设备必须释放总线（主设备把总线置为高电平然后不要动，其实就类似于总线空闲状态），同时从设备试图拉低总线发出ACK。如果从

设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高，这对主设备来说，意味着我没收到ACK，主设备就认为刚才给

从设备发送的8字节不对（接收失败）。

(3)数据位是在时钟信号的一个上升沿发送出去的，也就是说我们必须在时钟信号的上升沿之前将数据位准备好。

三、S5PV210的I2C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软件完成，于是乎解决方案是SoC内部内置了硬件的控制器来产生通信时序。这样我们写软件时只需要向控制

器的寄存器中写入配置值即可，控制器会产生适当的时序在通信线上和对方通信。

1、结构框图

(1)时钟部分，时钟来源是PCLK_PSYS，经过内部分频最终得到I2C控制器的CLK，通信中这个CLK会通过SCL线传给从设备。

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

所代表的电路模块）实现的。

(3)移位寄存器（shift register），将代码中要发送的字节数据，通过移位寄存器变成1个位一个位的丢给SDA线上去发送/接收。

(4)地址寄存器+比较器。本I2C控制器做从设备的时候用。(我没用过，理论分析)，这个是用于作为从设备时，配置自己的设备地址以及将主机发送过来的设备地址与自己的地

址进行比较时用到的。

2、I2C时钟系统分析

(1)I2C时钟源头来源于PCLK（PCLK_PSYS，等于65MHz），经过了2级分频后得到的。

(2)第一级分频是I2CCON的bit6，可以得到一个中间时钟I2CCLK（等于PCLK/16或者PCLK/512）。

(3)第二级分频是得到最终I2C控制器工作的时钟，以I2CCLK这个中间时钟为来源，分频系数为[1,16]。

(4)最终要得到时钟是2级分频后的时钟，譬如一个可用的设置是：65000KHz/512/4=31KHz

3、主要寄存器：I2CCON、I2CSTAT、I2CADD、I2CDS

I2CCON + I2CSTAT：主要用来产生通信时序和I2C接口配置。

I2CADD：用来写自己的slave address（作为从设备时的设备地址）

I2CDS：发送/接收的数据都放在这里（发送/接收的数据寄存器）

I2CCON寄存器：
bit[7]: I2C的ACK使能控制位，我们的使能这个位之后，当需要我们的Soc发送 ACK信号的时候控制器就会自动的发送的ACK。
bit[6]: 原始时钟选择位，也就是一级时钟
bit[5]: I2C中断使能控制位
bit[4]: 中断挂起标志位，可读可写；读：0表示没有中断挂起，1表示有中断挂起；
写：写0清除中断挂起标志，不可写1
bit[3:0]: 二级时钟配置

I2CSTAT寄存器：
bit[7:6]: 工作模式选择位，一共有4中模式：从机接收模式、从机发送模式、主机接 收模式、主机发送模式。
bit[5]: 可读可写；读：0表示总线不忙，也就是可以进行操作，1表示忙； 写：写0产 生停止信号，写1产生起始信号。 
bit[4]: 使能总线的发送/接收功能
bit[3]: 总线仲裁状态位，0表示总线仲裁成功，1表示总此案仲裁失败，也就是发生了 总线错误。
bit[2]: 作为从设备时状态位，当收到了主设备发过了的起始信号/停止信号时该位清0 ；当作为从机时接收到的地址与自己设备地址相同时，该位置1。
bit[1]: 状态位，I2C地址0状态标志；当检测到起始/停止信号条件时该位为0；受到的 从机的地址为0000000b时该位为1.
bit[0]: 发送数据时是否接收到ACK状态标志位，0表示接收到了ACK，1表示没有接收到 ACK。

4、I2C通信中断请求来源有以下3种：

(1)一个字节的数据发送/接收完毕

(2)如果SoC作为从设备时，主设备发过来的地址跟自己的地址相对应时

(3)总线控制错误，无法识别总线的控制权归谁所有（总线仲裁错误）

5、I2C控制器通信流程

(1)S5PV210的主发送模式流程图

(2)S5PV210的主接收模式流程图 

所以我们在内置了I2C控制器的SoC中编程，只需要按照上图中的流程图的顺序即可完成通信，I2C控制器内部电路模块已经帮我们实现了通信时序，我们不需要去关心这些。

四、I2C传感器

现在有很多的传感器的硬件接口都是设计为I2C接口，他们与SoC主机的通信就是基于I2C通信协议来完成的，但是大部分的传感器内部都有寄存器，所以SoC主机需要去读写传感器的寄存器，至于读写这些寄存器是什么意思，是由传感器内部自己定义的了。例如如下：

IIC协议本身只是做了最基本的数据的发送和接收的方法，但是其实我们的IIC设备往往会对数据在做进一步的封装，例如：在我们的传感器中，因为我们的主机要写或者是读传感器的寄存器，那么就得知道是读或者写那个寄存器，所以传感器内部电路会对传过来的数据再做进一步的解析，例如，当我们发送了写信号之后，我们还要在发送一个地址，然后再发送有效数据，其实传感器是这样去理解的，但是本身我们的协议就认为我们写了2次数据，写了一次传感器地址，写了一次有效数据，只不过在传感器的电路模块不会吧第一次写的数据当作有效数据，而把他标记为寄存器地址。所以说具体的IIC传感器他会对数据有不一样的解析，具体看不同的情况。

其实说到这里，其实不管是什么通信协议，我觉得这些协议都只是规定了数据的发送和接收的方法，对于具体的发送或者接收的信息，需要我们具体的设备做进一步的解释。