五、 尋址約定

　　地址的分配方法有兩種：

　　1. 含CPU的智能器件，地址由軟件初始化時定義，但不能與其它的器件有沖突；

　　2. 不含CPU的非智能器件，由廠家在器件內(nèi)部固化，不可改變。

　　高7位為地址碼，其分為兩部分：

　　1. 高4位屬于固定地址不可改變，由廠家固化的統(tǒng)一地址；

　　2. 低三位為引腳設(shè)定地址，可以由外部引腳來設(shè)定（并非所有器件都可以設(shè)定）；

　　主控器向被控器發(fā)送的信息種類有：啟動信號、停止信號、7位地址碼、讀／寫控制位、10位地址碼、數(shù)據(jù)字節(jié)、重啟動信號、應(yīng)答信號、時鐘脈沖。

　　被控器向主控器發(fā)送的信息種類有：應(yīng)答信號、數(shù)據(jù)字節(jié)、時鐘低電平。

　　下面對I2C總線通信過程中出現(xiàn)的幾種信號狀態(tài)和時序進行分析。

　?、倏偩€空閑狀態(tài)。

　　I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號線同時處于高電平時，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時各個器件的輸出級場效應(yīng)管均處在截止狀態(tài)，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。

　?、趩有盘枴?/p>

　　在時鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負跳變），定義為I2C總線總線的啟動信號，它標志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。

　　啟動信號是一種電平跳變時序信號，而不是一個電平信號。啟動信號是由主控器主動建立的，在建立該信號之前I2C總線必須處于空閑狀態(tài)，如圖1所示。

　　圖1 I2C總線上的啟動信號和停止信號

　　③停止信號。

　　在時鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號，它標志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。

　　停止信號也是一種電平跳變時序信號，而不是一個電平信號，停止信號也是由主控器主動建立的，建立該信號之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。

　　④數(shù)據(jù)位傳送。

　　在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個時鐘脈沖相對應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。

　　進行數(shù)據(jù)傳送時，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。

　　只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當使用獨立電源時），如圖2所示。

　　圖2 I2C總線上的數(shù)據(jù)位傳送

　?、輵?yīng)答信號。

　　I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個字節(jié)，就在時鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個應(yīng)答信號。

　　應(yīng)答信號為低電平時，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號為高電平時，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。

　　對于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個時鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。

　　如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節(jié)后，發(fā)送一個NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個停止信號P，如圖3所示。

　　圖3 I2C總線上的應(yīng)答時序

　?、薏迦氲却龝r間。

　　如果被控器需要延遲下一個數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳送的時間，則可以通過把時鐘線SCL電平拉低并且保持，使主控器進入等待狀態(tài)。

　　一旦被控器釋放時鐘線，數(shù)據(jù)傳輸就得以繼續(xù)下去，這樣就使得被控器得到足夠時間轉(zhuǎn)移已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)字節(jié)，或者準備好即將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。

　　帶有CPU的被控器在對收到的地址字節(jié)做出應(yīng)答之后，需要一定的時間去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，來分析或比較地址碼，其間就把SCL線鉗位在低電平上，直到處理妥當后才釋放SCL線，進而使主控器繼續(xù)后續(xù)數(shù)據(jù)字節(jié)的發(fā)送，如圖4所示。

　　圖4 I2C總線上的插入等待時間

　?、咧貑有盘?。

　　在主控器控制總線期間完成了一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收）之后，如果想繼續(xù)占用總線再進行一次數(shù)據(jù)通信（發(fā)送或接收），而又不釋放總線，就需要利用重啟動Sr信號時序。

　　重啟動信號Sr既作為前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束，又作為后一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。利用重啟動信號的優(yōu)點是，在前后兩次通信之間主控器不需要釋放總線，這樣就不會丟失總線的控制權(quán)，即不讓其他主器件節(jié)點搶占總線。

　?、鄷r鐘同步。

　　如果在某一I2C總線系統(tǒng)中存在兩個主器件節(jié)點，分別記為主器件1和主器件2，其時鐘輸出端分別為CLK1和CL【0，它們都有控制總線的能力。

　　假設(shè)在某一期間兩者相繼向SCL線發(fā)出了波形不同的時鐘脈沖序列CLK1和CLK2（時鐘脈沖的高、低電平寬度都是依靠各自內(nèi)部專用計數(shù)器定時產(chǎn)生的），在總線控制權(quán)還沒有裁定之前這種現(xiàn)象是可能出現(xiàn)的。

　　鑒于I2C總線的“線與”特性，使得時鐘線SCL上得到的時鐘信號波形，既不像主器件1所期望的CLK1，也不像主器件2所期望的CLK2，而是兩者進行邏輯與的結(jié)果。

　　CLKI和CLK2的合成波形作為共同的同步時鐘信號，一旦總線控制權(quán)裁定給某一主器件，則總線時鐘信號將會只由該主器件產(chǎn)生，如圖5所示。

　　圖5 I2C總線上的時鐘同步

　　⑨總線沖突和總線仲裁。

　　假如在某I2C總線系統(tǒng)中存在兩個主器件節(jié)點，分別記為主器件1和主器件2，其數(shù)據(jù)輸出端分別為DATA1和DATA2，它們都有控制總線的能力，這就存在著發(fā)生總線沖突（即寫沖突）的可能性。

　　假設(shè)在某一瞬間兩者相繼向總線發(fā)出了啟動信號，鑒于：I2C總線的“線與”特性，使得在數(shù)據(jù)線SDA上得到的信號波形是DATA1和DATA2兩者相與的結(jié)果，該結(jié)果略微超前送出低電平的主器件1，其DATA1的下降沿被當做SDA的下降沿。

　　在總線被啟動后，主器件1企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“101……”，主器件2企圖發(fā)送數(shù)據(jù)“100101……”。

　　兩個主器件在每次發(fā)出一個數(shù)據(jù)位的同時都要對自己輸出端的信號電平進行抽檢，只要抽檢的結(jié)果與它們自己預(yù)期的電平相符，就會繼續(xù)占用總線，總線控制權(quán)也就得不到裁定結(jié)果。

　　主器件1的第3位期望發(fā)送“1”，也就是在第3個時鐘周期內(nèi)送出高電平。

　　在該時鐘周期的高電平期間，主器件1進行例行抽檢時，結(jié)果檢測到一個不相匹配的電平“0”，這時主器件1只好決定放棄總線控制杈；因此，主器件2就成了總線的惟一主宰者，總線控制權(quán)也就最終得出了裁定結(jié)果，從而實現(xiàn)了總線仲裁的功能。

　　從以上總線仲裁的完成過程可以得出：仲裁過程主器件1和主器件2都不會丟失數(shù)據(jù)；各個主器件沒有優(yōu)先級別之分，總線控制權(quán)是隨機裁定的，即使是搶先發(fā)送啟動信號的主器件1最終也并沒有得到控制杈。

　　系統(tǒng)實際上遵循的是“低電平優(yōu)先”的仲裁原則，將總線判給在數(shù)據(jù)線上先發(fā)送低電平的主器件，而其他發(fā)送高電平的主器件將失去總線控制權(quán)，如圖6所示。

　　圖6 I2C總線上的總線仲裁

　　⑩總線封鎖狀態(tài)。

　　在特殊情況下，如果需要禁止所有發(fā)生在I2C總線上的通信活動，封鎖或關(guān)閉總線是一種可行途徑，只要掛接于該總線上的任意一個器件將時鐘線SCL鎖定在低電平上即可。

　　I2C總線是由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器和外圍設(shè)備。

　　I2C總線支持多主控模式，任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備。主控能夠控制數(shù)據(jù)的傳輸和時鐘頻率，在任意的時刻只能有一個主控。

　　組成I2C總線的兩個信號為數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL。為避免總信號線的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端必須是開漏輸出或集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的“線與”邏輯，I2C總線上任意器件輸出低電平都會使相應(yīng)總線上的信號線變低。

　　總線空閑時，上拉電阻使SDA和SCL線都保持高電平。

　　數(shù)據(jù)線 SDA 的電平狀態(tài)必須在時鐘線 SCL 處于高電平期間保持穩(wěn)定不變。SDA 的電平狀態(tài)只有在 SCL 處于低電平期間才允許改變。但是在 I2C總線的起始和結(jié)束時例外。

　　當SCL穩(wěn)定在高電平時，SDA由高到低的變化將產(chǎn)生一個開始位，而由低到高的變化則產(chǎn)生一個停止位。開始位和停止位都是由I2C主設(shè)備產(chǎn)生的。如果從設(shè)備采用7位地址，則主設(shè)備在發(fā)起傳輸前，需先發(fā)送一字節(jié)的地址信息，前7位為設(shè)備地址，最后1位為讀寫標志。之后每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也是一個字節(jié)，從MSB位（Most Significant Bit 最高有效位，對應(yīng)有LSB： Least Significant Bit 最低有效位）開始傳輸。每個字節(jié)傳完后，在SCL的第9個上升沿到來之前，接受方應(yīng)該發(fā)出一個ACK位。

　　應(yīng)答位的時鐘脈沖仍由主機產(chǎn)生，而應(yīng)答位的數(shù)據(jù)狀態(tài)則遵循“誰接收誰產(chǎn)生”的原則，即總是由接收器產(chǎn)生應(yīng)答位。主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)答位由從機產(chǎn)生；主機從從機接收數(shù)據(jù)時，應(yīng)答位由主機產(chǎn)生。I2C總線標準規(guī)定：應(yīng)答位為 0 表示接收器應(yīng)答（ACK） ，常常簡記為 A；為 1 則表示非應(yīng)答（NACK） ，常常簡記為NA。發(fā)送器發(fā)送完 LSB 之后，應(yīng)當釋放 SDA 線（拉高 SDA，輸出晶體管截止） ，以等待接收器產(chǎn)生應(yīng)答位。

　　在切換數(shù)據(jù)的傳輸方向時，可以不必先產(chǎn)生停止條件再開始下次傳輸，而是直接再一次產(chǎn)生開始條件。I2C 總線在已經(jīng)處于忙的狀態(tài)下，再一次直接產(chǎn)生起始條件的情況被稱為重復(fù)起始條件。例如：訪問某一具有 I2C總線接口的 E2PROM 存儲器時，主機先向存儲器輸入存儲單元的地址信息（發(fā)送數(shù)據(jù)） ，然后再讀取其中的存儲內(nèi)容（接收數(shù)據(jù)）。

　　帶有 I2C 總線的器件除了有從機地址（Slave Address）外，還可能有子地址。從機地址是指該器件在 I2C 總線上被主機尋址的地址， 而子地址是指該器件內(nèi)部不同部件或存儲單元的編址。 與從機地址一樣，子地址實際上也是像普通數(shù)據(jù)那樣進行傳輸?shù)?，傳輸格式仍然是與數(shù)據(jù)相統(tǒng)一的，區(qū)分傳輸?shù)牡降资堑刂愤€是數(shù)據(jù)要靠收發(fā)雙方具體的邏輯約定。子地址的長度必須由整數(shù)個字節(jié)組成，可能是單字節(jié)（8 位子地址） ，也可能是雙字節(jié)（16 位子地址） ，還可能是 3 字節(jié)以上，這要看具體器件的規(guī)定。

　　I2C體系結(jié)構(gòu)分3個部分：I2C核心、I2C總線驅(qū)動、I2C設(shè)備驅(qū)動。

　　I2C核心提供了I2C總線驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動的注冊、注銷方法，I2C通信方法上層的、與具體適配器無關(guān)的代碼以及探測設(shè)備、檢測設(shè)備地址的上層代碼等。

　　I2C總線驅(qū)動是對I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中適配器端的實現(xiàn)，適配器可由CPU控制，甚至可以直接集成在CPU內(nèi)部。包含了i2c_adapter、i2c_algorithm和控制I2C適配器產(chǎn)生通信信號的函數(shù)。通過I2C總線驅(qū)動的代碼，我們可以控制I2C適配器以主控方式產(chǎn)生開始位、停止位讀寫周期，以及以從設(shè)備方式被讀寫，產(chǎn)生ACK等。

　　I2C設(shè)備驅(qū)動是對I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中設(shè)備端的實現(xiàn)，設(shè)備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過I2C適配器與CPU交換數(shù)據(jù)。包含了i2c_driver和i2c_client。

　　所有的I2C設(shè)備都在sysfs文件系統(tǒng)中顯示，存于/sys/bus/i2c/目錄下，以適配器地址和芯片地址的形式列出。

　　i2c_adapter對應(yīng)于物理上的一個適配器，而i2c_algorithm對應(yīng)一套通信方法。一個I2C適配器需要i2c_algorithm提供的通信函數(shù)來控制適配器上產(chǎn)生特定的訪問周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了，因此i2c_adapter中包含其使用的i2c_algorithm的指針。

　　i2c_driver對應(yīng)一套驅(qū)動方法，是純粹的用于輔助作用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它不對應(yīng)于任何的物理實體。i2c_client對應(yīng)于真實的物理設(shè)備，每個I2C設(shè)備都需要一個i2c_client來描述。i2c_client一般被包含在I2C字符設(shè)備的私有信息結(jié)構(gòu)體中。

　　i2c_driver于i2c_client發(fā)生關(guān)聯(lián)的時刻在i2c_driver的attach_adapter（）函數(shù)被運行時。attach_adapter（）會探測物理設(shè)備，當確定一個client存在時，把該client使用的i2c_client數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的adapter指針指向?qū)?yīng)的i2c_adapter，driver指針指向該i2c_driver，并會調(diào)用i2c_adapter的client_register（）函數(shù)。相反的過程會發(fā)生在i2c_driver的detach_client（）函數(shù)被調(diào)用的時候。

　　i2c_transfer（）函數(shù)用于進行I2C適配器和I2C設(shè)備之間的一組消息交互，i2c_master_send（）函數(shù)和i2c_master_recv（）函數(shù)內(nèi)部會調(diào)用i2c_transfer（）函數(shù)分別完成一條寫消息和一條讀消息。i2c_transfer（）函數(shù)本身并不具備驅(qū)動適配器物理硬件完成消息交互的能力，它只是尋找到i2c_adapter對應(yīng)的i2c_algorithm，并使用i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)真正驅(qū)動硬件流程。

　　I2C總線驅(qū)動模塊加載函數(shù)需完成兩個工作：

　　1.初始化I2C適配器所使用的硬件資源，如申請I/O地址、中斷號等。

　　2.通過i2c_add_adapter（）添加i2c_adapter的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當然這個i2c_adapter數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員已經(jīng)被xxx適配器的相應(yīng)函數(shù)指針所初始化。

　　I2C總線驅(qū)動模塊的卸載函數(shù)要完成的工作與加載函數(shù)相反。

　　I2C總線通信方法：我們要為特定的I2C適配器實現(xiàn)其通信方法，主要實現(xiàn)i2c_algorithm的master_xfer（）函數(shù)和functionality（）函數(shù)。functionality（）函數(shù)用于返回algorithm所支持的通信協(xié)議，如I2C_FUNC_I2C、I2C_FUNC_10BIT_ADDR、I2C_FUNC_SMBUS_READ_BYTE、I2C_FUNC_SMBUS_WRITE_BYTE等。master_xfer（）函數(shù)在I2C適配器上完成傳遞給它的i2c_msg數(shù)組中的每個I2C消息。

　　master_xfer（）函數(shù)處理I2C消息數(shù)組，對于數(shù)組中的每個消息，判斷消息類型，若為讀消息，則賦從設(shè)備地址為（msg-》addr《《1）| 1 ，否則為msg-》addr《《1（賦地址為setaddr）。對每個消息產(chǎn)生一個開始位，緊接著傳送從設(shè)備地址，然后開始數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，對最后的消息還需產(chǎn)生一個停止位。

　　I2C設(shè)備驅(qū)動（i2c_driver和i2c_client）。

　　I2C設(shè)備驅(qū)動要使用i2c_driver和i2c_client數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并填充其中的成員函數(shù)。i2c_client一般被包含在設(shè)備的私有信息結(jié)構(gòu)體yyy_data中，而i2c_driver則適合被定義成全局變量并初始化。

　　I2C設(shè)備驅(qū)動的模塊加載函數(shù)中會做：

　　（1）通過register_chrdev（）函數(shù)將I2C設(shè)備注冊為一個字符設(shè)備。

　　（2）通過I2C核心的i2c_add_driver（）函數(shù)添加i2c_driver。

　　模板卸載函數(shù)中則相反。

　　yyy_init（）-》i2c_add_driver（）-》yyy_attach_adapter（）-》i2c_probe（）-》yyy_detect（）-》i2c_client初始化-》i2c_attach_client（）-》yyy_init_client

　　yyy_exit（）-》i2c_del_driver（）-》yyy_detach_client（）-》i2c_detach_client（）

　　作為一種字符類設(shè)備，Linux I2C設(shè)備驅(qū)動的文件操作接口與普通的設(shè)備驅(qū)動是完全一致的。I2C設(shè)備的寫操作經(jīng)歷了如下幾個步驟：

　　（1）從用戶空間到字符設(shè)備驅(qū)動寫函數(shù)接口，寫函數(shù)構(gòu)造I2C消息數(shù)組。

　?。?）寫函數(shù)把構(gòu)造的I2C消息數(shù)組傳遞給I2C核心的傳輸函數(shù)i2c_transfer（）。

　　（3）I2C核心的傳輸函數(shù)i2c_transfer（）找到對應(yīng)適配器algorithm的通信方法函數(shù)master_xfer（）去最終完成I2C消息的處理。

　　read（）/write（）（用戶空間）-》yyy_read（）/yyy_write（）（I2C設(shè)備驅(qū)動文件操作接口）-》i2c_transfer（）（I2C核心）-》master_xfer（）（I2C總線驅(qū)動）

　　i2c-dev.c文件完全可以被看做一個I2C設(shè)備驅(qū)動，不過，它實現(xiàn)的一個i2c_client是虛擬、臨時的，隨著設(shè)備文件的打開而產(chǎn)生，并隨設(shè)備文件的關(guān)閉而撤銷，并沒有被添加到i2c_adapter的clients鏈表中。i2c-dev.c針對每個I2C適配器生成一個主設(shè)備號為89的設(shè)備文件，實現(xiàn)了i2c_driver的成員函數(shù)以及文件操作接口，所以，i2c-dev.c的主體式“i2c_driver成員函數(shù)+字符設(shè)備驅(qū)動”。

　　i2c-dev.c中提供i2cdev_read（）、i2cdev_write（）函數(shù)來對應(yīng)用戶空間要使用的read（）和write（）文件操作接口，這兩個函數(shù)分別調(diào)用I2C核心的i2c_master_recv（）和i2c_master_send（）函數(shù)來構(gòu)造一條I2C消息并引發(fā)適配器algorithm通信函數(shù)的調(diào)用，完成消息的傳輸。i2cdev_read（）和i2cdev_write（）函數(shù)不具備太強的通用性，滅有太大的使用價值，只能適用于非RepStart模式的情況。對于兩條以上消息組成的讀寫，在用戶空間需要組織i2c_msg消息數(shù)組并調(diào)用I2C_RDWR IOCTL命令。