I2C總線（基於IMX6ULL介紹）

I2C（Inter-Integrated Circuit BUS）是I2C BUS簡稱，中文爲集成電路總線，是目前應用最廣泛的總線之一，和IMX6ULL有些相關的是，恰巧該總線是NXP前身的PHILIPS設計。當前仍然是應用最廣泛的總線協議之一。

1 通用I2C協議介紹

1）概述
I2C是一種串行通信總線，使用多主從架構，最初設計師爲了讓主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊設備而發展而來。在小數據量場合使用，有傳輸距離短，任意時刻只能有一個主機等特性。嚴格意義上講，I2C應該是軟硬件結合體，所以我們將分物理層和協議層來介紹該總線。（總線結構如下圖）

2）物理層
特性1：半雙工（非全雙工）
兩條總線線路：
SDA(串行數據線): 主芯片通過一根SDA線既可以把數據發給從設備，也可以從SDA上讀取數據，連接SDA線的引腳裏面必然有兩個引腳（發送引腳/接受引腳），具體可以參考下圖device端I2Cn_SDA(output/input)。
SCL(串行時鐘線)：同SDA的引腳電路結構一致，引腳的輸出驅動與輸入緩衝連在一起。其中輸出爲漏極開路的場效應管、輸入緩衝爲一隻高輸入阻抗的同相器。這樣結構有如下特性：
 由於 SDA、SCL 爲漏極開路結構，藉助於外部的上拉電阻實現了信號的“線與”邏輯；
 引腳在輸出信號的同時還將引腳上的電平進行檢測，檢測是否與剛纔輸出一致。爲 “時鐘同步”和“總線仲裁”提供硬件基礎。
SDA和CLK連接線上連有兩個上拉電阻，當總線空閒時，兩根線均爲高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號變低。（物理層結構如下圖所示）

特性2：地址和角色可配置
每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和其它器件通信，主機/從機角色和地址可配置，主機可以作爲主機發送器和主機接收器。

特性3：多主機
IIC是真正的多主機總線，（ IIC可以在通訊過程中，改變主機），如果兩個或更多的主機同時請求總線，可以通過沖突檢測和仲裁防止總線數據被破壞。

特性4：傳輸速率
傳輸速率在標準模式下可以達到100kb/s,快速模式下可以達到400kb/s。

特性5：負載和距離
節點的最大數量受限於地址空間以及總線電容決定。另外總電容也限制了實際通信距離只有幾米。

3）協議層
a.數據有效性
I2C協議的數據有效性是靠時鐘來保證的，在時鐘的高電平週期內，SDA線上的數據必須保持穩定。數據線僅可以在時鐘SCL爲低電平時改變。

b.起始和結束條件
起始條件：當SCL爲高電平的時候，SDA線上由高到低的跳變被定義爲起始條件。
結束條件：當SCL爲高電平的時候，SDA線上由低到高的跳變被定義爲停止條件，要注意起始和終止信號都是由主機發出的，連接到I2C總線上的器件，若具有I2C總線的硬件接口，則很容易檢測到起始和終止信號。

總線在起始條件之後，視爲忙狀態，在停止條件之後被視爲空閒狀態。
c.應答
每當主機向從機發送完一個字節的數據，主機總是需要等待從機給出一個應答信號，以確認從機是否成功接收到了數據，從機應答主機所需要的時鐘仍是主機提供的，應答出現在每一次主機完成8個數據位傳輸後緊跟着的時鐘週期，低電平0表示應答，1表示非應答
d.數據幀格式
SDA線上每個字節必須是8位長，傳輸幾個字節每個transfer是不限制的，每個字節後面必須跟一個ACK。數據首先用最高有效位（MSB）傳輸。

2. IMX6ULL的I2C控制器操作與寄存器介紹

IMX6ULL的I2C提供了標準I2C從服務器和主服務器的功能，I2C是設計與標準的NXP I2C總線協議兼容，所以上面的通用知識完全可以應用在IMX6ULL I2C的編程和控制。
故我們只要熟悉IMX6ULL I2C重點寄存器即可。
（1）I2C Memory Map
I2C包含5個16-bit 的寄存器
注意：寄存器在偏移量0x0002/0x0006/0x000A/0x000E作爲保留位。
可以看到I2C1的入口地址爲21A_0000，這個我們重點關注，後面做實驗，編程會使用到。

（2）Register
 I2C Address Register (I2Cx_IADR)

地址寄存器，偏移量爲0h。
 bit15-8爲保留位即只讀爲0。
 bit7-1（ADR）位是I2C作爲從機時的地址。從屬模式是I2C的默認模式，這個地址是作爲從機的相應地址，不能被軟件復位。
 I2C Frequency Divider Register (I2Cx_IFDR)

分頻寄存器，偏移量爲4h。
 bit15-6位爲保留位即只讀爲0。
 bit5-1 位爲I2C時鐘頻率
注意：該值在傳輸過程中不應該改變，但是可以在之前改變。
I2C_IFDR提供了一個可編程的預分頻器，用於時鐘配置以進行比特率選擇，寄存器不會被軟件重置。
寄存器IC位設置計算方法如下:

I2C的時鐘源來源於IPG_CLK_ROOT=66Mhz
PLL2 = 528 MHz
PLL2_PFD2 = 528 MHz
IPG_CLK_ROOT = (PLL2_PFD2 / ahb_podf )/ ipg_podf = (528 MHz/4)/2 = 66Mhz
PER_CLK_ROOT = IPG_CLK_ROOT/perclk_podf = 66 MHz/1 = 66 MHz
設置I2C的波特率爲100K， 因此當分頻值=66000000/100000=660.
參考Table 31-3. I2C_IFDR Register Field Values 中只有640對應的0x15最接近

即寄存器IFDR的IC位設置爲0X15

 I2C Control Register (I2Cx_I2CR)

控制寄存器，偏移量爲8h
 bit 15-8爲保留位即只讀爲0。
 bit 7 爲I2C使能位。（0 disable，1 enable）
 bit 6 爲I2C中斷使能位。（0 disable，1 enable）
 bit 5 爲主/從模式選擇位（0 slave mode，1 master mode ）
 bit 4 爲傳輸方向模式選擇位 （0 receive mode，1 transmit mode）
 bit 3爲應答使能位 （0 ACK , 1 NO ACK）
 bit 2 重複開始信號（0 no repeat start，1 Generates repeat start）
 bit 0 保留位

 I2C Status Register (I2Cx_I2SR)

狀態寄存器，偏移量爲Ch
 bit 15-8爲保留位即只讀爲0。
 bit 7 數據傳輸狀態位（0 傳輸中，1 傳輸完成）
 bit 6 I2C地址是否爲從標識（0 不表示，1 是從機地址）
 bit 5 I2C總線忙狀態標識位（0 空閒，1 忙 ）
 bit 4 仲裁丟失位 （0 正常，1 仲裁丟失）
 bit 3 保留位
 bit 2從機讀寫標識位 （0 slave接收，主向從寫 , 1 slave發送 主向從讀）
 bit 1 I2C中斷（0無中斷等待， 1有中斷等待）
 bit 0 應答信號標識位（0檢測到ACK， 1檢測到NO ACK）

 I2C Data I/O Register (I2Cx_I2DR)

數據寄存器，偏移量爲10h
 bit 15-8爲保留位即只讀爲0。
 bit 7-1 數據字節
注意：在主接收模式下，讀取數據寄存器允許發生讀取並初始化下一個字節被接收。在從模式下，相同功能需要編址後生效。
低8位爲有效數據位，發送數據時將數據寫到這個寄存器中，如果要接收時直接讀取該寄存器中的數據。

3. I2C控制器編程_框架

之前的所有鋪墊都是爲了實現I2C通訊，所以怎麼用代碼實現也是尤爲關鍵的一個問題。
 初始化
因爲不使用中斷服務函數模式，初始化代碼非常簡單，我們僅需要將I2CR(bit7) 置0後寫入IFDR爲0x15，設置波特率爲100k。（具體計算方法參考 2. IMX6ULL的I2C控制器操作與寄存器介紹中關於分頻寄存器），然後再使能I2C，將I2CR(bit7)置1 。
01 I2C_BASE->I2CR &= ~(1 << 7);
02 I2C_BASE->IFDR = 0x15;
03 I2C_BASE->I2CR |= (1<<7);
 讀寫操作
下面是是I2C的讀寫標準流程，可能實際使用時根據需求略有異同。
寫寄存器的標準流程如下圖：

 1.Master發起START
 2.Master發送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
 3.Slave發送ACK
 4.Master發送reg addr（8bit），等待ACK
 5.Slave發送ACK
 6.Master發送data（8bit），即要寫入寄存器中的數據，等待ACK
 7.Slave發送ACK
 8.第6步和第7步可以重複多次，即順序寫多個寄存器
 9.Master發起STOP

讀寄存器的標準流程如下圖：

 1.Master發送I2C addr（7bit）和w操作1（1bit），等待ACK
 2.Slave發送ACK
 3.Master發送reg addr（8bit），等待ACK
 4.Slave發送ACK
 5.Master發起RESTART
 6.Master發送I2C addr（7bit）和r操作1（1bit），等待ACK
 7.Slave發送ACK
 8.Slave發送data（8bit），即寄存器裏的值
 9.Master發送ACK
 10.第8步和第9步可以重複多次，即順序讀多個寄存器
 11. Master發送NO ACK表示讀取完成，從機也不用發送ACK
 12. Master發送STOP

4. I2C控制器編程_中斷

I2C控制器中和中斷有關的寄存器如下：
IIEN :I2C_I2CR（bit6）(0 disable I2C interrupt ，1 enable I2C interrupt)
IIF:I2C_I2SR (bit1) （0 No I2C interrupt pending ， 1 An interrupt is pending）
即中斷使能位，中斷狀態位。
編碼中在傳送完1byte後可以通過判斷IIF狀態來確認ACK和傳輸完成。當然作爲從機時，收到自己的地址後也可以進入中斷。