对 IIC 总线的理解、调用函数以及常见面试问题

一、IIC 总线概述:

IIC 即Inter-Integrated Circuit(集成电路总线)
I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线, I2C总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。
这里写图片描述

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。
这里写图片描述

二、IIC 总线通信协议:

要掌握IIC的通信协议,需要掌握以下6个通信信号:
1.起始信号
2.终止信号
3.写数据
4.读数据
5.应答信号
6.非应答信号

  • 起始和终止信号
    SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

  • 应答信号
    IIC 总线协议规定,每传送一个字节数据后,都要有一个应答信号以确定数据传送是否被对方收到。应答信号由接受设备产生,在SCL为高电平期间,接受设备将SDA拉低为低电平,表示数据传输正确,产生应答(ACK)

  • 数据传送
    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。

根据AT24C02的芯片,可编写以下信号函数程序:

//1.起始信号 SCL线为高电平期间,SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号;
void IIC_Start(void)       
{
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay_us(1);   //15us     >> 4.7us
    SDA = 0;
    delay_us(1);

    SCL = 0;
}

//2.终止信号 SCL线为高电平期间,SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。
void IIC_Stop(void)   
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    delay_us(1);   //15us     >> 4.7us
    SDA = 1;
    delay_us(1);

    SCL = 0;
}
void IIC_SendByte(unsigned char dat)   //3.写数据
{
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        if((dat<<i)&0x80)
        {
            SDA = 1;
        }
        else
        {
            SDA = 0;
        }
        SCL = 1;       //开始让数据维持稳定
        delay_us(1);  

        SCL = 0;
        delay_us(1);
    }

    SDA = 1; //释放总线  , 发送完8位,主机置高电平
    SCL = 1;
    delay_us(1);
    if (SDA)        //SDA 低电平    从机回馈低电平
    {
        ack = 0;   //0 == ack  代表无ack信号, 从机不应答,发送不成功
    }
    else
    {
        ack = 1;   //从机应答,发送成功
    }
    SCL = 0;
    delay_us(5);
}
unsigned char IIC_RecvByte(void)   //4. 读数据
{
    unsigned char i, temp;
    SDA = 1;               //保险 高的 与 上低的 是低的, 线与
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        SCL = 0;       // 告诉 数据可以变化      SDA  脉冲线   
                     //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。
        delay_us(1);
        SCL = 1;       // 数据保持稳定, 开始读
        delay_us(1);
        temp<<=1;
        if (SDA)
        {
            temp = temp + 1;
        }
    }
    SCL = 0;
    delay_us(10);
    return temp;
}
void IIC_ACK(void)         //5. 应答信号
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    delay_us(1);
    SCL = 0;
}
void IIC_NOACK(void)       //6. 非应答信号
{
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    delay_us(1);
    SCL = 0;
}

根据时序图,可编写24C02的读写函数程序:
这里写图片描述

unsigned char AT24CXX_WriteStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num)
{
    unsigned char i;
    IIC_Start();
    IIC_SendByte(devaddr);
    if (0 == ack) 
    {
        return 0;
    }
    IIC_SendByte(romaddr);
    if (0 == ack) 
    {
        return 0;
    }
    for (i = 0; i < num; i++)
    {
        IIC_SendByte(*s);
        if (0 == ack) 
        {
            return 0;
        }
        s++;
    }
    IIC_Stop();
    return 1;
}

这里写图片描述

unsigned char AT24CXX_ReadStr(unsigned char devaddr, unsigned char romaddr, unsigned char *s, unsigned char num)
{
    unsigned char i;
    IIC_Start();
    IIC_SendByte(devaddr);
    if (0 == ack)        //无应答 返回0 失败
    {
        return 0;
    }
    IIC_SendByte(romaddr);
    if (0 == ack) 
    {
        return 0;
    }

    IIC_Start();
    IIC_SendByte(devaddr + 1);
    if (0 == ack) 
    {
        return 0;
    }
    for (i = 0; i < num - 1; i++)
    {
        *s = IIC_RecvByte();
        IIC_ACK();
        s++;
    }
    *s = IIC_RecvByte();
    IIC_NOACK();
    IIC_Stop();
    return 1;
}

三、有关 IIC 总线常见面试题:(参考)

  • 介绍一下你了解的I2C?

I2C总线是飞利浦(PHLIPS)公司推出的一种串行总线,用于连接微控制器及其外围设备, I2C串行总线有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。 它仅通过两根信号线就可以完成对所有挂载在I2C总线上的从器件进行操作。这样的好处是可以大大的节省我们微处理器的IO口资源。

  • I2C到底可以挂载多少个器件呢?

答:IIC协议规定,在启动总线后第1字节的高7位是从节点的寻址地址,其中高四位为器件类型识别符,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,所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定,7位寻址地址减去1个广播地址0x00不用,所以有2^7=128 - 1 = 127,那就是127个地址, 所以理论上可以挂127个从器件。

  • I2C如何同时挂载多个同一种器件(地址相同的器件)?

答:理论上是不会这样设计的,如果一定要这样做的话,可以通过硬件上设计,控制器件是否挂载总线来实现(方法可用一个开关电路切断器件SDA或者SCL是否接入总线来实现)

  • I2C总线的主机与从机之间是如何通信的呢?

I2C总线的主机与从机之间的通信主要和I2C的时序有关。在通信开始的时候SCL与SDA都置为高电平,此时为总线空闲时间。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉低,标志这总线的启动。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉高,标志这总线的终止。在进行数据传送时,SCL为高电平期间,SDA上的数据必须保持稳定,只有在SCL的信号为低电平时,SDA上的高电平才允许变化。所以只要我们根据芯片手册正确的写好IIC的时序,按时序发送器件地址(不同的器件的地址不同)以及数据,就可以使主机与从机之间通信。

  • I2C总线的仲裁你知道吗?

总线上可能挂接有多个器件,有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况,这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力,可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁,其仲裁原则是这样的:当多个主器件同时想占用总线时,如果某个主器件发送高电平,而另一个主器件发送低电平,则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较,如果主器件寻址同一个从器件,则进入数据位的比较,从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁,因此不会造成信息的丢失。

  • I2C时钟信号(SCL)的同步问题

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件,一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平,将使SCL线一直保持低电平,使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时,低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态,于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时,低电平期结束,SCL线被释放返回高电平,即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后,第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见,时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定,而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

  • I2C总线的其他注意点

1、进行数据传送时,在SCL为高电平期间,SDA线上电平必须保持稳定,只有SCL为低时,才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是高位在前。
2、对于应答信号,ACK=0时为有效应答位,说明从机已经成功接收到该字节,若为1则说明接受不成功。
3、如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间,可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进入等待状态。
4、主机完成一次通信后还想继续占用总线在进行一次通信,而又不释放总线,就要利用重启动信号Sr。它既作为前一次数据传输的结束,又作为后一次传输的开始。
5、总线冲突时,按“低电平优先”的仲裁原则,把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。
6、在特殊情况下,若需禁止所有发生在I2C总线上的通信,可采用封锁或关闭总线,具体操作为在总线上的任一器件将SCL锁定在低电平即可。
7、SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系,而是同时进行的。

 

 

I2C的基础概念和框架 

一、IIC 基础概念

       IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。IIC总线产生于在80年代,最初为音频和视频设备开发,如今主要在服务器管理中使用,其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询,以管理系统的配置或掌握组件的功能状态,如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数,增加了系统的安全性,方便了管理。


1、 IIC总线的特点

       IIC总线最主要的优点是其简单性有效性。由于接口直接在组件之上,因此IIC总线占用的空间非常小,减少了电路板的空间和芯片管脚的数量,降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺,并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。IIC总线的另一个优点是,它支持多主控(multimastering), 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然,在任何时间点上只能有一个主控。


2、IIC总线工作原理

a -- 总线构成

      IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线,可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送,最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上,但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作,所以每个电路和模块都有唯一的地址,在信息的传输过程中,IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器),又是发送器(或接收器),这取决于它所要完成的功能。

CPU发出的控制信号分为地址码控制量两部分:

1) 地址码用来选址,即接通需要控制的电路,确定控制的种类;

2) 控制量决定该调整的类别(如对比度、亮度等)及需要调整的量。

    这样,各控制电路虽然挂在同一条总线上,却彼此独立,互不相关。

b -- 信号类型

    IIC总线在传送数据过程中共有四种类型信号:

开始信号:SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据;

结束信号:SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据;

数据传输信号:在开始条件以后,时钟信号SCL的高电平周期期问,当数据线稳定时,数据线SDA的状态表示数据有效,即数据可以被读走,开始进行读操作。在时钟信号SCL的低电平周期期间,数据线上数据才允许改变。每位数据需要一个时钟脉冲。

应答信号: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。

 

      目前有很多半导体集成电路上都集成了IIC接口。带有IIC接口的单片机有:CYGNAL的 C8051F0XX系列,PHILIPSP87LPC7XX系列,MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供IIC接口。

3、总线基本操作

     IIC规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上,则定义为发送器,器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件(通常为微控制器)控制,主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向,并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变,SCL为高电平的期间,SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件

a -- 控制字节

      在起始条件之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(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。

b -- 写操作

      写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。关于页面写的地址、应答和数据传送的时序。

c -- 读操作

      读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是顺序读的时序图。应当注意的是:最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作,主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。

d -- 总线仲裁

       主机只能在总线空闲的时候启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最小持续内产生一个起始条件,结果在总线上产生一个规定的起始条件。

       当SCL线是高电平时,仲裁在SDA线发生这样,在其他主机发送低电平时,发送高电平的主机将断开它的数据输出级,因为总线上的电平和它自己的电平不同。

      仲裁可以持续多位。从地址位开始,同一个器件的话接着就是数据位(如果主机-发送器),或者比较相应位(如果主机-接收器)。IIC总线的地址和数据信息由赢得仲裁的主机决定,在这个过程中不会丢失信息。

仲裁不能在下面情况之间进行:

1)重复起始条件和数据位;
2)停止条件和数据位;
3)重复起始条件和停止条件。


4、特性总结

      IIC肯定是2线的(不算地线)IIC协议确实很科学,比3/4线的SPI要好,当然线多通讯速率相对就快了

IIC的原则是

a -- 在SCL=1(高电平)时,SDA千万别忽悠!!!否则,SDA下跳则"判罚"为"起始信号S",SDA上跳则"判罚"为"停止信号P".

b -- 在SCL=0(低电平)时,SDA随便忽悠!!!(可别忽悠过火到SCL跳高)

c -- 每个字节后应该由对方回送一个应答信号ACK做为对方在线的标志.非应答信号一般在所有字节的最后一个字节后.一般要由双方协议签定.

d -- SCL必须由主机发送,否则天下大乱

e -- 首字节是"片选信号",即7位从机地址加1位方向(读写)控制.从机收到(听到)自己的地址才能发送应答信号(必须应答!!!)表示自己在线.其他地址的从机不允许忽悠!!!(当然群呼可以忽悠但只能听不许说话)

f -- 读写是站在主机的立场上定义的."读"是主机接收从机数据,"写"是主机发送数据给从机.

g-- 重复位主要用于主机从发送模式到接收模式的转换"信号",由于只有2线,所以收发转换肯定要比SPI复杂,因为SPI可用不同的边沿来收发数据,而IIC不行.

h -- 在硬件IIC模块,特别是MCU/ARM/DSP等每个阶段都会得到一个准确的状态码,根据这个状态码可以很容易知道现在在什么状态和什么出错信息.

i -- 7位IIC总线可以挂接127个不同地址的IIC设备,0号"设备"作为群呼地址.10位IIC总线可以挂接更多的10位IIC设备.

 

二、 Linux下IIC驱动架构

         Linux定义了系统的IIC驱动体系结构,在Linux系统中,IIC驱动由3部分组成,即IIC核心IIC总线驱动IIC设备驱动。这3部分相互协作,形成了非常通用、可适应性很强的IIC框架。

 


 

       上图完整的描述了linux i2c驱动架构,虽然I2C硬件体系结构比较简单,但是i2c体系结构在linux中的实现却相当复杂。

       那么我们如何编写特定i2c接口器件的驱动程序?就是说上述架构中的那些部分需要我们完成,而哪些是linux内核已经完善的或者是芯片提供商已经提供的?

 

1、架构层次分类

   第一层:提供i2c adapter的硬件驱动,探测、初始化i2c adapter(如申请i2c的io地址和中断号),驱动soc控制的i2c adapter在硬件上产生信号(start、stop、ack)以及处理i2c中断。覆盖图中的硬件实现层

   第二层:提供i2c adapter的algorithm,用具体适配器的xxx_xferf()函数来填充i2c_algorithm的master_xfer函数指针,并把赋值后的i2c_algorithm再赋值给i2c_adapter的algo指针。覆盖图中的访问抽象层、i2c核心层

   第三层:实现i2c设备驱动中的i2c_driver接口,用具体的i2c device设备的attach_adapter()、detach_adapter()方法赋值给i2c_driver的成员函数指针。实现设备device与总线(或者叫adapter)的挂接覆盖图中的driver驱动层

  第四层:实现i2c设备所对应的具体device的驱动,i2c_driver只是实现设备与总线的挂接,而挂接在总线上的设备则是千差万别的,所以要实现具体设备device的write()、read()、ioctl()等方法,赋值给file_operations,然后注册字符设备(多数是字符设备)。覆盖图中的driver驱动层

 

     第一层和第二层又叫i2c总线驱动(bus),第三第四属于i2c设备驱动(device driver)

     在linux驱动架构中,几乎不需要驱动开发人员再添加bus,因为linux内核几乎集成所有总线bus,如usb、pci、i2c等等。并且总线bus中的(与特定硬件相关的代码)已由芯片提供商编写完成,例如三星的s3c-2440平台i2c总线bus为/drivers/i2c/buses/i2c-s3c2410.c

      第三第四层与特定device相干的就需要驱动工程师来实现了

 

2、Linux下I2C驱动体系结构三部分详细分析

a -- IIC核心

       IIC 核心提供了IIC总线驱动和设备驱动的注册、注销方法,IIC通信方法(即“algorithm”,笔者认为直译为“运算方法”并不合适,为免引起误解, 下文将直接使用“algorithm”)上层的、与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。

     在我们的Linux驱动的i2c文件夹下有algos,busses,chips三个文件夹,另外还有i2c-core.ci2c-dev.c两个文件。

     i2c-core.c文件实现了I2Ccore框架,是Linux内核用来维护和管理的I2C的核心部分,其中维护了两个静态的List,分别记录系统中的I2Cdriver结构和I2Cadapter结构。I2Ccore提供接口函数,允许一个I2Cadatper,I2Cdriver和I2Cclient初始化时在I2Ccore中进行注册,以及退出时进行注销。同时还提供了I2C总线读写访问的一般接口,主要应用在I2C设备驱动中。

 

b -- IIC总线驱动

       IIC总线驱动是对IIC硬件体系结构中适配器端的实现,适配器可由CPU控制,甚至直接集成在CPU内部。总线驱动的职责,是为系统中每个I2C总线增加相应的读写方法。但是总线驱动本身并不会进行任何的通讯,它只是存在那里,等待设备驱动调用其函数。

     IIC总线驱动主要包含了IIC适配器数据结构i2c_adapterIIC适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm控制IIC适配器产生通信信号的函数。经由IIC总线驱动的代码,我们可以控制IIC适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期,以及以从设备方式被读写、产生ACK等。

 Busses文件夹下的i2c-mpc.c文件实现了PowerPC下I2C总线适配器驱动,定义描述了具体的I2C总线适配器的i2c_adapter数据结构,实现比较底层的对I2C总线访问的具体方法。I2Cadapter 构造一个对I2Ccore层接口的数据结构,并通过接口函数向I2Ccore注册一个控制器。I2Cadapter主要实现对I2C总线访问的算法,iic_xfer() 函数就是I2Cadapter底层对I2C总线读写方法的实现。同时I2Cadpter 中还实现了对I2C控制器中断的处理函数。

 

c -- IIC设备驱动

      IIC设备驱动是对IIC硬件体系结构中设备端的实现,设备一般挂接在受CPU控制的IIC适配器上,通过IIC适配器与CPU交换数据。设备驱动则是与挂在I2C总线上的具体的设备通讯的驱动。通过I2C总线驱动提供的函数,设备驱动可以忽略不同总线控制器的差异,不考虑其实现细节地与硬件设备通讯。

      IIC设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver和i2c_client,我们需要根据具体设备实现其中的成员函数。

     i2c-dev.c文件中实现了I2Cdriver,提供了一个通用的I2C设备的驱动程序,实现了字符类型设备的访问接口,实现了对用户应用层的接口,提供用户程序访问I2C设备的接口,包括实现open,release,read,write以及最重要的ioctl等标准文件操作的接口函数。我们可以通过open函数打开 I2C的设备文件,通过ioctl函数设定要访问从设备的地址,然后就可以通过 read和write函数完成对I2C设备的读写操作。

    通过I2Cdriver提供的通用方法可以访问任何一个I2C的设备,但是其中实现的read,write及ioctl等功能完全是基于一般设备的实现,所有的操作数据都是基于字节流,没有明确的格式和意义。为了更方便和有效地使用I2C设备,我们可以为一个具体的I2C设备开发特定的I2C设备驱动程序,在驱动中完成对特定的数据格式的解释以及实现一些专用的功能。

 

3、重要的结构体

      因为IIC设备种类太多,如果每一个IIC设备写一个驱动程序,那么显得内核非常大。不符合软件工程代码复用,所以对其层次话:

     这里简单的将IIC设备驱动分为设备层总线层。理解这两个层次的重点是理解4个数据结构,这4个数据结构是i2c_driver、i2c_client、i2c_algorithm、i2c_adapteri2c_driver、i2c_client属于设备层;i2c_algorithm、i2c_adapter属于总线型。如下图:

    设备层关系到实际的IIC设备,总线层包括CPU中的IIC总线控制器和控制总线通信的方法。值得注意的是:一个系统中可能有很多个总线层,也就是包含多个总线控制器;也可能有多个设备层,包含不同的IIC设备

        由IIC总线规范可知,IIC总线由两条物理线路组成,这两条物理线路是SDA和SCL。只要连接到SDA和SCL总线上的设备都可以叫做IIC设备。

a -- i2c_client 

       一个IIC设备由i2c_client数据结构进行描述:

  1. struct  i2c_client  
  2. {  
  3.     unsigned short  flags;                          //标志位  
  4.     unsigned short  addr;                //设备的地址,低7位为芯片地址  
  5.     char name[I2C_NAME_SIZE];             //设备的名称,最大为20个字节  
  6.     struct  i2c_adapter *adapter;           //依附的适配器i2c_adapter,适配器指明所属的总线  
  7.     struct  i2c_driver *driver;             //指向设备对应的驱动程序  
  8.     struct device  dev;                 //设备结构体  
  9.     int irq;                       //设备申请的中断号  
  10.     struct list_head  list;                //连接到总线上的所有设备  
  11.     struct list_head   detected;           //已经被发现的设备链表  
  12.     struct completion  released;           //是否已经释放的完成量  
  13. };  

设备结构体i2c_client中addr的低8位表示设备地址。设备地址由读写位、器件类型和自定义地址组成,如下图:

第7位是R/W位,0表示写,2表示读,所以I2C设备通常有两个地址,即读地址和写地址;

类型器件由中间4位组成,这是由半导体公司生产的时候就已经固化了;

自定义类型由低3位组成。由用户自己设置;

 

     IIC设备还有一些重要的注意事项:

1、i2c_client数据结构是描述IIC设备的“模板”,驱动程序的设备结构中应包含该结构;

2、adapter指向设备连接的总线适配器,系统可能有多个总线适配器。内核中静态指针数组adapters记录所有已经注册的总线适配器设备;

3、driver是指向设备驱动程序,这个驱动程序是在系统检测到设备存在时赋值的;

 

b -- IIC设备驱动     i2c_driver

  1. struct  i2c_driver  
  2. {  
  3.     int id;                         //驱动标识ID  
  4.     unsigned int class;               //驱动的类型  
  5.     int (*attach_adapter)(struct i2c_adapter *);             //当检测到适配器时调用的函数  
  6.     int (*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);              //卸载适配器时调用的函数  
  7.     int (*detach_client)(struct i2c_client *)   __deprecated;             //卸载设备时调用的函数  
  8.     
  9.      //以下是一种新类型驱动需要的函数,这些函数支持IIC设备动态插入和拔出。如果不想支持只实现上面3个。要不实现上面3个。要么实现下面5个。不能同时定义  
  10.     int  (*probe)(struct i2c_client *,const struct  i2c_device_id *);              //新类型设备探测函数  
  11.     int (*remove)(struct i2c_client *);                   //新类型设备的移除函数  
  12.     void (*shutdown)(struct i2c_client *);              //关闭IIC设备  
  13.     int (*suspend)(struct  i2c_client *,pm_messge_t mesg);           //挂起IIC设备  
  14.         int (*resume)(struct  i2c_client *);                               //恢复IIC设备  
  15.     int (*command)(struct i2c_client *client,unsigned int cmd,void *arg);        //使用命令使设备完成特殊的功能。类似ioctl()函数  
  16.     struct devcie_driver  driver;                         //设备驱动结构体  
  17.     const struct  i2c_device_id *id_table;                       //设备ID表  
  18.     int (*detect)(struct i2c_client *,int  kind,struct  i2c_board_info *);          //自动探测设备的回调函数  
  19.   
  20.     const  struct i2c_client_address_data          *address_data;                 //设备所在的地址范围  
  21.     struct  list_head    clients;                    //指向驱动支持的设备  
  22. };  

结构体i2c_driver和i2c_client的关系较为简单,其中i2c_driver表示一个IIC设备驱动,i2c_client表示一个IIC设备。关系如下图:

c -- i2c_adapter

      IIC总线适配器就是一个IIC总线控制器,在物理上连接若干个IIC设备。IIC总线适配器本质上是一个物理设备,其主要功能是完成IIC总线控制器相关的数据通信:

  1. struct i2c_adapter  
  2. {  
  3.     struct module *owner;                        //模块计数  
  4.         unsigned  int id;                                  //alogorithm的类型,定义于i2c_id.h中  
  5.         unsigned   int  class;                           //允许探测的驱动类型  
  6.     const struct i2c_algorithm *algo;         //指向适配器的驱动程序  
  7.         void *algo_data;                                  //指向适配器的私有数据,根据不同的情况使用方法不同  
  8.         int (*client_register)(struct  i2c_client *);          //设备client注册时调用  
  9.         int (*client_unregister(struct  i2c_client *);       //设备client注销时调用  
  10.         u8 level;                                                           
  11.     struct  mutex  bus_lock;                             //对总线进行操作时,将获得总线锁  
  12.         struct  mutex  clist_lock ;                            //链表操作的互斥锁  
  13.         int timeout;                                                  //超时  
  14.     int retries;                                                     //重试次数  
  15.     struct device dev;                                          //指向 适配器的设备结构体  
  16.     int  nr ;                                                            
  17.     struct  list_head      clients;                            //连接总线上的设备的链表  
  18.     char name[48];                                              //适配器名称  
  19.     struct completion     dev_released;               //用于同步的完成量  
  20. };  


d -- i2c_algorithm

       每一个适配器对应一个驱动程序,该驱动程序描述了适配器与设备之间的通信方法:

  1. struct  i2c_algorithm  
  2. {  
  3.     int  (*master_xfer)(struct  i2c_adapter *adap,  struct  i2c_msg *msg, int num);              //传输函数指针,指向实现IIC总线通信协议的函数,用来确定适配器支持那些传输类型  
  4.     int  (*smbus_xfer)(struct  i2c_adapter *adap, u16  addr, unsigned  short flags, char  read_write, u8 command, int size, union  i2c_smbus_data  *data);    //smbus方式传输函数指针,指向实现SMBus总线通信协议的函数。SMBus和IIC之间可以通过软件方式兼容,所以这里提供了一个函数,但是一般都赋值为NULL  
  5.     u32  (*functionality)(struct  i2c_adapter *);                   //返回适配器支持的功能  
  6.   
  7. };  


      IIC设备驱动程序大致可以分为设备层和总线层。设备层包括一个重要的数据结构,i2c_client。总线层包括两个重要的数据结构,分别是i2c_adapter和i2c_algorithm。一个i2c_algorithm结构表示适配器对应的传输数据方法。3个数据结构关系:

IIC设备层次结构较为简单,但是写IIC设备驱动程序却相当复杂。

IIC设备驱动程序的步骤:

 

 

4、各结构体的作用与它们之间的关系

a -- i2c_adapter与i2c_algorithm

  i2c_adapter对应与物理上的一个适配器,而i2c_algorithm对应一套通信方法,一个i2c适配器需要i2c_algorithm中提供的(i2c_algorithm中的又是更下层与硬件相关的代码提供)通信函数来控制适配器上产生特定的访问周期。缺少i2c_algorithm的i2c_adapter什么也做不了,因此i2c_adapter中包含其使用i2c_algorithm的指针。

        i2c_algorithm中的关键函数master_xfer()用于产生i2c访问周期需要的start stop ack信号,以i2c_msg(即i2c消息)为单位发送和接收通信数据。

  i2c_msg也非常关键,调用驱动中的发送接收函数需要填充该结构体

  1. struct i2c_msg {    
  2.     __u16 addr; /* slave address            */    
  3.     __u16 flags;            
  4.     __u16 len;      /* msg length               */    
  5.     __u8 *buf;      /* pointer to msg data          */    
  6. };    


b --i2c_driver和i2c_client

      i2c_driver对应一套驱动方法,其主要函数是attach_adapter()和detach_client()

      i2c_client对应真实的i2c物理设备device,每个i2c设备都需要一个i2c_client来描述

      2c_driver与i2c_client的关系是一对多。一个i2c_driver上可以支持多个同等类型的i2c_client.



c -- i2c_adapter和i2c_client

  i2c_adapter和i2c_client的关系与i2c硬件体系中适配器和设备的关系一致,即i2c_client依附于i2c_adapter,由于一个适配器上可以连接多个i2c设备,所以i2c_adapter中包含依附于它的i2c_client的链表。

 

 从i2c驱动架构图中可以看出,linux内核对i2c架构抽象了一个叫核心层core的中间件,它分离了设备驱动device driver和硬件控制的实现细节(如操作i2c的寄存器),core层不但为上面的设备驱动提供封装后的内核注册函数,而且还为小面的硬件事件提供注册接口(也就是i2c总线注册接口),可以说core层起到了承上启下的作用。

 

 

面试你该如何回答---->IIC总线协议?

面试的时候主要会遇到的IIC问题如下

  • 介绍一下你了解的I2C?

I2C总线是飞利浦(PHLIPS)公司推出的一种串行总线,用于连接微控制器及其外围设备, I2C串行总线有两根双向信号线。一根是数据线SDA,另一根是时钟线SCL。 它仅通过两根信号线就可以完成对所有挂载在I2C总线上的从器件进行操作。这样的好处是可以大大的节省我们微处理器的IO口资源。

  • I2C到底可以挂载多少个器件呢?

答:IIC协议规定,在启动总线后第1字节的高7位是从节点的寻址地址,其中高四位为器件类型识别符,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,所以具体挂载多少个器件由I2C地址决定,7位寻址地址减去1个广播地址0x00不用,所以有2^7=128 - 1 = 127,那就是127个地址, 所以理论上可以挂127个从器件。

  • I2C如何同时挂载多个同一种器件(地址相同的器件)?

答:理论上是不会这样设计的,如果一定要这样做的话,可以通过硬件上设计,控制器件是否挂载总线来实现(方法可用一个开关电路切断器件SDA或者SCL是否接入总线来实现)

  • I2C总线的主机与从机之间是如何通信的呢?

I2C总线的主机与从机之间的通信主要和I2C的时序有关。在通信开始的时候SCL与SDA都置为高电平,此时为总线空闲时间。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉低,标志这总线的启动。当SCL为高电平期间SDA的电平被拉高,标志这总线的终止。在进行数据传送时,SCL为高电平期间,SDA上的数据必须保持稳定,只有在SCL的信号为低电平时,SDA上的高电平才允许变化。所以只要我们根据芯片手册正确的写好IIC的时序,按时序发送器件地址(不同的器件的地址不同)以及数据,就可以使主机与从机之间通信。

  • I2C总线的仲裁你知道吗?

总线上可能挂接有多个器件,有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况,这种情况叫做总线竞争。I2C总线具有多主控能力,可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁,其仲裁原则是这样的:当多个主器件同时想占用总线时,如果某个主器件发送高电平,而另一个主器件发送低电平,则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较,如果主器件寻址同一个从器件,则进入数据位的比较,从而确保了竞争仲裁的可靠性。由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁,因此不会造成信息的丢失。

  • I2C时钟信号(SCL)的同步问题

在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件,一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平,将使SCL线一直保持低电平,使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时,低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态,于是这些器件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时,低电平期结束,SCL线被释放返回高电平,即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后,第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见,时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定,而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。

  • I2C总线的其他注意点

1、进行数据传送时,在SCL为高电平期间,SDA线上电平必须保持稳定,只有SCL为低时,才允许SDA线上电平改变状态。并且每个字节传送时都是高位在前。


2、对于应答信号,ACK=0时为有效应答位,说明从机已经成功接收到该字节,若为1则说明接受不成功。


3、如果从机需要延迟下一个数据字节开始传送的时间,可以通过把SCL电平拉低并保持来强制主机进入等待状态。


4、主机完成一次通信后还想继续占用总线在进行一次通信,而又不释放总线,就要利用重启动信号Sr。它既作为前一次数据传输的结束,又作为后一次传输的开始。


5、总线冲突时,按“低电平优先”的仲裁原则,把总线判给在数据线上先发送低电平的主器件。


6、在特殊情况下,若需禁止所有发生在I2C总线上的通信,可采用封锁或关闭总线,具体操作为在总线上的任一器件将SCL锁定在低电平即可。


7、SDA仲裁和SCL时钟同步处理过程没有先后关系,而是同时进行的。

posted on 2018-05-05 14:51  AlanTu  阅读(12644)  评论(0编辑  收藏  举报

导航