嵌入式知識-ARM裸機-學習筆記（11）：I2C總線通信
一、I2C總線
1. I2C總線簡介
I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接於總線上的器件之間傳送信息。
主器件用於啓動總線傳送數據，併產生時鐘以開放傳送的器件，此時任何被尋址的器件均被認爲是從器件。在總線上主和從、發和收的關係不是恆定的，而取決於此時數據傳送方向。如果主機要發送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然後主動發送數據至從器件，最後由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件，然後主機接收從器件發送的數據，最後由主機終止接收過程。
2. I2C物理接口
物理接口：SCL + SDA（只需要用2根線就可以進行復雜的通信）
(1)SCL(serial clock)：時鐘線，傳輸CLK信號，一般是I2C主設備向從設備提供時鐘的通道。
(2)SDA(serial data): 數據線，通信數據都通過SDA線傳輸。
3. I2C通信特徵
I2C通信是一種串行、同步、非差分、低速率的通信方式。
（1）串行：I2C屬於串行通信，所有的數據以位爲單位在SDA線上串行傳輸。
（2）同步：同步通信就是通信雙方工作在同一個時鐘下，一般是通信的A方通過一根CLK信號線傳輸A自己的時鐘給B，B工作在A傳輸的時鐘下。所以同步通信的顯著特徵就是：通信線中有CLK。
（3）非差分：因爲I2C通信速率不高，而且通信雙方距離很近，所以使用電平信號通信。
（4）低速率：I2C一般是用在同一個板子上的2個IC之間的通信，而且用來傳輸的數據量不大，所以本身通信速率很低（一般幾百KHz，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具體在編程的時候要看自己所使用的設備允許的I2C通信最高速率，不能超過這個速率）。
主設備+從設備
I2C通信的時候，通信雙方地位是不對等的，而是分主設備和從設備。通信由主設備發起，由主設備主導，從設備只是按照I2C協議被動的接受主設備的通信，並及時響應。
誰是主設備、誰是從設備是由通信雙方來定的（I2C協議並無規定），一般來說一個芯片可以只能做主設備、也可以只能做從設備、也可以既能當主設備又能當從設備（但是不能同時當兩個）。
可以多個設備掛在一條總線上（從設備地址）
I2C通信可以一對一（1個主設備對1個從設備），也可以一對多（1個主設備對多個從設備）。
主設備來負責調度總線，決定某一時間和哪個從設備通信。注意：同一時間內，I2C的總線上只能傳輸一對設備的通信信息，所以同一時間只能有一個從設備和主設備通信，其他從設備處於“冬眠”狀態，不能出來搗亂，否則通信就亂套了。
每一個I2C從設備在通信中都有一個I2C從設備地址，這個設備地址是從設備本身固有的屬性，然後通信時主設備需要知道自己將要通信的那個從設備的地址，然後在通信中通過地址來判斷是不是自己要找的那個從設備。（這個地址是一個電路板上唯一的，不是全球唯一的）。
4. I2C總線通信時序
從字面意思解釋，時序就是時間順序，實際上在通信中時序就是通信線上按照時間順序發生的電平變化，以及這些變化對通信的意義就叫時序。
I2C的總線空閒狀態、起始位、結束位
I2C總線上有1個主設備，n（n>=1）個從設備。I2C總線上有2種狀態；空閒態（所有從設備都未和主設備通信，此時總線空閒）和忙態（其中一個從設備在和主設備通信，此時總線被這一對佔用，其他從設備必須歇着）。整個通信分爲一個週期一個週期的，兩個相鄰的通信週期是空閒態。每一個通信週期由一個起始位開始，一個結束位結束，中間是本週期的通信數據。
起始位並不是一個時間點，起始位是一個時間段，在這段時間內總線狀態變化情況是：CLK線維持高電平，同時SDA線發生一個從高到低的下降沿。
與起始位相似，結束位也是一個時間段。在這段時間內總線狀態變化情況是：SCL線維持高電平，同時SDA線發生一個從低到高的上升沿。
在起始位的下一個時鐘的上升沿會發生一個數據的傳輸，必須在上升沿來臨之前使其穩定。數據傳輸過程中，數據線從0變爲1時，一定要在下一個上升沿來到之前完成。
5. I2C數據傳輸格式
每一個通信週期的發起和結束都是由主設備來做的，從設備只有被動的響應主設備，沒法自己自發的去做任何事情。主設備在每個通信週期會先發8位的從設備地址（其實8位中只有7位是從設備地址，還有1位表示主設備下面要寫入還是讀出）到總線（主設備是以廣播的形式發送的，只要是總線上的所有從設備其實都能收到這個信息）。然後總線上的每個從設備都能收到這個地址，並且收到地址後和自己的設備地址比較看是否相等。如果相等說明主設備本次通信就是給我說話，如果不想等說明這次通信與我無關，不用聽了不管了。
發送方發送一段數據後，接收方需要迴應一個ACK。這個響應本身只有1個bit位，不能攜帶有效信息，只能表示2個意思（要麼表示收到數據，即有效響應；要麼表示未收到數據，無效響應）。
在某一個通信時刻，主設備和從設備只能有一個在發（佔用總線，也就是向總線寫），另一個在收（從總線讀）。如果在某個時間主設備和從設備都試圖向總線寫那就完蛋了，通信就亂套了。
下圖爲輸出傳輸格式：
其中白色爲主設備對從設備，灰色部分爲從設備對主設備。
當寫模式時的情況：首先由主設備發送一個起始信號，緊接着在下一個時鐘上升沿來臨時，將從設備的地址通過總線發送出去（其中7位爲地址數據，1位表示寫模式），總線上的各從設備接收到地址後與自己的地址相對比，如果對應則被選中，那麼從設備會發送一個ACK信號告訴主設備準備完畢，主設備發送8 bit的數據，從設備接收到該數據後會發送一個ACK信號，之後由主設備發送停止信號標誌着傳輸完成。
當讀模式時的情況：首先由主設備發送一個起始信號，緊接着在下一個時鐘上升沿來臨時，將從設備的地址通過總線發送出去（其中7位爲地址數據，1位表示讀模式），總線上的各從設備接收到地址後與自己的地址相對比，如果對應則被選中，那麼從設備會發送一個ACK信號告訴主設備準備完畢，然後從設備開始發送8bit的數據，主設備收到之後會發送一個ACK信號，然後再發送停止信號標誌結束。
I2C通信時的基本數據單位也是以字節爲單位的，每次傳輸的有效數據都是1個字節（8位）。
起始位及其後的8個clk中都是主設備在發送（這設備掌控總線），此時從設備只能讀取總線，通過讀總線來得知主設備發給從設備的信息；然後到了第9週期，按照協議規定從設備需要發送ACK給主設備，所以此時主設備必須釋放總線（主設備把總線置爲高電平然後不要動，其實就類似於總線空閒狀態），同時從設備試圖拉低總線發出ACK。如果從設備拉低總線失敗，或者從設備根本就沒有拉低總線，則主設備看到的現象就是總線在第9週期仍然一直保持高，這對主設備來說，意味着我沒收到ACK，主設備就認爲剛纔給從設備發送的8字節不對（接收失敗）。
二、S5PV210的I2C總線
1. I2C控制器
主從設備通信雙方本質上是通過時序在工作，但是時序會比較複雜不利於SoC軟件完成，於是乎解決方案是SoC內部內置了硬件的控制器來產生通信時序。這樣我們寫軟件時只需要向控制器的寄存器中寫入配置值即可，控制器會產生適當的時序在通信線上和對方通信。
（1）時鐘來源是PCLK_PSYS（65MHz），經過內部2級分頻最終得到I2C控制器的CLK。第一級分頻是I2CCON的bit6，可以得到一箇中間時鐘I2CCLK（等於PCLK/16或者PCLK/512）；第二級分頻是得到最終I2C控制器工作的時鐘，以I2CCLK這個中間時鐘爲來源，分頻係數爲[1,16]，因爲是4bit（相當於0~15加1）。最終要得到時鐘是2級分頻後的時鐘，譬如一個可用的設置是：65000KHz/512/4=31KHz通信中這個CLK會通過SCL線傳給從設備。
（2）I2C總線控制邏輯（前臺代表是I2CCON、I2CSTAT這兩個寄存器），主要負責產生I2C通信時序。實際編程中要發送起始位、停止位、接收ACK等都是通過這兩個寄存器（背後所代表的電路模塊）實現的。
（3）移位寄存器（shift register），將代碼中要發送的字節數據，通過移位寄存器變成1個位一個位的丟給SDA線上去發送/接收。
地址寄存器+比較器。本I2C控制器做從設備的時候用。
（4）I2CADD：用來寫自己的slave address。
（5）I2CDS：發送/接收的數據都放在這裏。
2. 總線通信流程
主設備收/發模式
這裏要補充一點：就是在發送8bit地址數據時，其實是7bit地址+1bit的方向。
舉個例子：
KXTE9的I2C地址固定爲0b0001111，I2C從設備地址本身是7位的，但是在I2C通信中發送I2C從設備地址時實際發送的是8位，這8位中高7位（bit7-bit1）對應I2C從設備的7位地址，最低一位（LSB）存放的是R/W信息（就是說下一個數據是主設備寫從設備讀（對應0），還是主設備讀從設備寫（對應1））。因此，對於KXTE9來說，主設備（SoC）發給gsensor信息時，SAD應該是：0b00011110(0x1E)，而主設備讀取gsensor信息時，則應該是0b00011111（0x1F）。