ARM学习笔记--IIC总线接口

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 摘自:《嵌入式Linux应用开发完全手册》——韦东山
一、IIC总线协议和硬件介绍

1、IIC总线协议

1)IIC总线的概念

        IIC总线是一种串行总线,用于连接微控制器及其外围设备,具有以下特点:

        ①两条总线线路:一条串行数据线(SDA),一条串行时钟线(SCL)

        ②每个连接到总线的器件都可以使用软件更具它的唯一的地址来识别

        ③传输数据的设备间是简单的主从关系

        ④主机可以用作主机发送器或主机接收器

        ⑤它是一个多主机总线,两个或多个主机同时发起数据传输时,可以通过冲突检测和仲裁来方式数据被破坏

        ⑥串行的8位双向数据传输,位速率在标准模式下可达100kbit/s,在快速模式下可达400kbit/s,在高速模式下可达3.4Mbit/s

        ⑦片上的滤波器可以增加干扰功能,保证数据的完整

        ⑧连接到同一总线上的IC数量受到总线最大电容的限制

发送器:发送数据到总线的器件

接收器:从总线接收数据的器件

主机:发起/停止数据传输、提供时钟信号的器件

从机:被主机寻址的器件

多主机:可以有多个主机试图去控制总线,但是不会破坏数据

仲裁:当多个主机试图去控制总线时,通过仲裁可以使得只有一个主机获得总线控制权,并且它传输的信息不会被破坏

同步:多个器件同步时钟信号的过程

 I2C总线通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时,两根线均为高电平。连到总线上的任一器件输出的低电平,都将使总线的信号变低,即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

    每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件,这时主机即为发送器。由总线上接收数据的器件则为接收器。

   在多主机系统中,可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱, I2C总线要通过总线仲裁,以决定由哪一台主机控制总线。

    在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中,我们经常遇到的是以80C51单片机为主机,其它接口器件为从机的单主机情况。 

数据位的有效性规定:

    I2C总线进行数据传送时,时钟信号为高电平期间,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟线上的信号为低电平期间,数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

2)IIC总线的信号类型

IIC总线在传送数据过程中共有3种类型信号:开始信号、结束信号和响应信号

①开始信号(S):SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,表示起始信号,开始传送数据

②结束信号(P):SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,表示结束信号,结束传送数据

③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电平。即接收数据的IC在接收到8bit数据后,向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,由判断为受控单元出现故障。 

  开始信号S和结束信号P

     起始和终止信号都是由主机发出的,在起始信号产生后,总线就处于被占用的状态;在终止信号产生后,总线就处于空闲状态。

    连接到I2C总线上的器件,若具有I2C总线的硬件接口,则很容易检测到起始和终止信号。对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说,为了检测起始和终止信号,必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次。  

     接收器件收到一个完整的数据字节后,有可能需要完成一些其它工作,如处理内部中断服务等,可能无法立刻接收下一个字节,这时接收器件可以将SCL线拉成低电平,从而使主机处于等待状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时,再释放SCL线使之为高电平,从而使数据传送可以继续进行。  

应答信号ACK

 

3)IIC总线的数据传输格式

        发送到SDA线上的每个字节必须是8位的,每次传输可以发送的字节数量不受限制。每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时,先传送最高位(MSB),每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位(即一帧共有9位)。 

        如果从机要完成一些其他功能后才能继续接收或发送,从机可以拉低SCL迫使主机进入等待状态。当从机准备好接收并释放SCL后,数据继续传输。如果主机在传输数据期间也需要完成一些其他功能叶可以拉低SCL以占住总线。

        启动一个传输时,主机先发出S信号,然后发出8位数据。前7位为从机地址,第8位表示传输方向(0表示写操作,1表示读操作)。被选中的从机发出响应信号。跟着传输一系列字节及响应位。最后,主机发出P信号结束。

    由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时(如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据),它必须将数据线置于高电平,而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

    如果从机对主机进行了应答,但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时,从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机,主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

    当主机接收数据时,它收到最后一个数据字节后,必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后,从机释放SDA线,以允许主机产生终止信号。

下列三种情况不会有ACK信号:

①当从机不能响应从机地址时(从机忙于其他事无法响应IIC总线操作或这个地址没有对应从机),在第9个SCL周期内SDA线没有被拉低,即没有ACK信号。这时,主机发送一个P信号终止传输或者重新发送一个S信号开始新的传输

②从机接收器在传输过程中不能接收更多的数据时,也不会发出ACK信号。主机意识到这点,从而发出一个P信号终止传输或者从新发送一个S信号开始新的传输

③主机接收器在接收到最后一个字节时,也不会发出ACK信号,于是,从机发送器释放SDA线,允许主机发送P信号结束传输

4)、数据帧格式

    I2C总线上传送的数据信号是广义的,既包括地址信号,又包括真正的数据信号。

   在起始信号后必须传送一个从机的地址(7位),第8位是数据的传送方向位(R/),用“0”表示主机发送数据(T),“1”表示主机接收数据(R)。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是,若主机希望继续占用总线进行新的数据传送,则可以不产生终止信号,马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。 

    在总线的一次数据传送过程中,可以有以下几种组合方式:

a、主机向从机发送数据,数据传送方向在整个传送过程中不变:

注: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, 表示非应答(高电平)。S表示起始信号,P表示终止信号。。

b、主机在第一个字节后,立即由从机读数据

c、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。

5)、

总线的寻址

     I2C总线协议有明确的规定:采用7位的寻址字节(寻址字节是起始信号后的第一个字节)。

 (1)寻址字节的位定义

     D7~D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位,为“0”时表示主机向从机写数据,为“1”时表示主机由从机读数据。

主机发送地址时,总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较,如果相同,则认为自己正被主机寻址,根据R/位将自己确定为发送器或接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机,从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7位寻址位有4位是固定位,3位是可编程位,这时仅能寻址8个同样的器件,即可以有8个同样的器件接入到该I2C总线系统中。

 (2)寻址字节中的特殊地址

   其中高四位为器件类型识别符(即固定地址编号0000和1111,不同的芯片类型有不同的定义,EEPROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。 

   起始信号后的第一字节的8位为“0000 0000”时,称为通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明。格式为:
   

   第二字节为 06H时,所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位,并由硬件装入从机地址的可编程部分。能响应命令的从机器件复位时不拉低SDA和SCL线,以免堵塞总线。

    第二字节为 04H时,所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位,但不进行复位。

     如果第二字节的方向位B为“1”,则这两个字节命令称为硬件通用呼叫命令。

    在这第二字节的高7位说明自己的地址。接在总线上的智能器件,如单片机或其他微处理器能识别这个地址,并与之传送数据。硬件主器件作为从机使用时,也用这个地址作为从机地址。格式为: 

     在系统中另一种选择可能是系统复位时硬件主机器件工作在从机接收器方式,这时由系统中的主机先告诉硬件主机器件数据应送往的从机器件地址,当硬件主机器件要发送数据时就可以直接向指定从机器件发送数据了。

(3)起始字节

    起始字节是提供给没有I2C总线接口的单片机查询I2C总线时使用的特殊字节。 

    不具备I2C总线接口的单片机,则必须通过软件不断地检测总线,以便及时地响应总线的请求。单片机的速度与硬件接口器件的速度就出现了较大的差别,为此,I2C总线上的数据传送要由一个较长的起始过程加以引导。  

      引导过程由起始信号、起始字节、应答位、重复起始信号(Sr)组成。

请求访问总线的主机发出起始信号后,发送起始字节(0000 0001),另一个单片机可以用一个比较低的速率采样SDA线,直到检测到起始字节中的7个“0”中的一个为止。在检测到SDA线上的高电平后,单片机就可以用较高的采样速率,以便寻找作为同步信号使用的第二个起始信号Sr。

在起始信号后的应答时钟脉冲仅仅是为了和总线所使用的格式一致,并不要求器件在这个脉冲期间作应答。  

2  80C51单片机I2C串行总线器件的接口

2.1 总线数据传送的模拟  

   主机可以采用不带I2C总线接口的单片机,如80C51、AT89C2051等单片机,利用软件实现I2C总线的数据传送,即软件与硬件结合的信号模拟。 

一、典型信号模拟

    为了保证数据传送的可靠性,标准的I2C总线的数据传送有严格的时序要求。I2C总线的起始信号、终止信号、发送“0”及发送“1”的模拟时序 : 

       

二、典型信号模拟子程序

(1)起始信号

Void T2CStart(void)

{

SomeNop(  );

SCL = 1;

SomeNop(  );

SDA = 0;

SomeNop(  );

SCL = 0;

SomeNop(  );

}

(2)终止信号

void I2cStop(void)

{

SDA = 0;

SomeNop(  );

SCL = 1;

SomeNop(  );

SDA = 1;

SomeNop(  );

SCL = 0;

}

2.2 I2C总线器件的扩展

一、扩展电路 

   

二、串行E2PROM的扩展 

  (1)串行E2PROM典型产品

ATMEL公司的AT24C系列:  

   AT24C01:128字节(128×8位);

   AT24C02:256字节(256×8位);

   AT24C04:512字节(512×8位)AT24C08:1K字节(1K×8位);

   AT24C16:2K字节(2K×8位); 

 (2)写入过程

    AT24C系列E2PROM芯片地址的固定部分为1010,A2、A1、A0引脚接高、低电平后得到确定的3位编码。形成的7位编码即为该器件的地址码。

    单片机进行写操作时,首先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”(共8位,即一个字节),发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后,在SDA线上产生一个应答信号作为相应,单片机收到应答后就可以传送数据了。

    传送数据时,单片机首先发送一个字节的被写入器件的存储区的首地址,收到存储器器件的应答后,单片机就逐个发送各数据字节,但每发送一个字节后都要等待应答。

    AT24C系列器件片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1,在芯片的“一次装载字节数”(不同芯片字节数不同)限度内,只需输入首地址。装载字节数超过芯片的“一次装载字节数”时,数据地址将“上卷”,前面的数据将被覆盖。

    当要写入的数据传送完后,单片机应发出终止信号以结束写入操作。写入n个字节的数据格式 :

(3)读出过程

     单片机先发送该器件的7位地址码和写方向位“0”(“伪写”),发送完后释放SDA线并在SCL线上产生第9个时钟信号。被选中的存储器器件在确认是自己的地址后,在SDA线上产生一个应答信号作为相应。 

     然后,再发一个字节的要读出器件的存储区的首地址,收到应答后,单片机要重复一次起始信号并发出器件地址和读方向位(“1”),收到器件应答后就可以读出数据字节,每读出一个字节,单片机都要回复应答信号。当最后一个字节数据读完后,单片机应返回以“非应答”(高电平),并发出终止信号以结束读出操作。 

3、S3C2440 IIC总线控制器寄存器介绍

S3C2440的IIC接口有4种工作方式:主机发送器、主机接收器、从机发送器、从机接收器

S3C2440使用4个寄存器来完成所有IIC的操作

1)IICCON寄存器

        IICCON寄存器用于控制是否发出ACK信号、设置发送器的时钟、开启IIC中断,并标识中断是否发生

        使用IICCON寄存器时,应注意

        ①发送模式的时钟频率由位[6]、位[3:0]联合决定。另外,当IICCON[6]=0时,IICCON[3:0]不能取0或1

        ②IIC中断在以下三种情况下发生:当发出地址信息或接收到一个从机地址并且吻合时,当总线仲裁失败时,当发送/接收完一个字节的数据(包括相应位)时

        ③基于SDA、SCL线上时间特性的考虑,要发送数据时,先将数据写入IICDS寄存器,然后再清除中断

        ④如果IICCON[5]=0,IICCON[4]将不能正常工作。所以,即使不使用IIC中断,也要讲IICCON[5]设为1

2)IICSTAT寄存器

         IICSTAT寄存器用于选择IIC接口的工作模式,发出S信号、P信号,使能接收/发送功能,并标识各种状态,比如总线仲裁是否成功、作为从机时是否被寻址、是否接收到0地址、是否接收到ACK信号

3)IICADD寄存器

        IICADD寄存器[7:1]表示从机地址,IICADD寄存器在串行输出使能位IICSTAT[4]为0时,才可以写入,在任何时候都可以读取

4)IICDS寄存器

        IICDS寄存器[7:0],保存要发送或已经接收到的数据,IICDS寄存器在串行输出使能位IICSTAT[4]为1时,才可以写入,在任何时候都可以读取

 

3、S3C2440 IIC总线操作方法