I2C

简介

I2C (Inter－Integrated Circuit) 总线是由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。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高，传输距离短等特性。

• 7位或10位的地址空间
• 普通I2C总线速度为100kbit/s的标准模式和10kbit/s的低速模式，任意时钟频率

结构

两条接口线

• 串行数据线(SDA)
• 串行时钟线(SCL)

时序

• 主机信号时序： start + address-read/write + ACK + data + ACK + … + stop

• 主机信号时序： start + address-read + ACK + data + ACK + … + restart + adress-write + stop

I2C协议

总线协议分析

参考设计为使用串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)、拥有7bit寻址空间的总线。

• 主机 - 产生时钟并发起与从机的通信
• 从机 - 接收时钟并响应主机的寻址

主机发送-从机接收

1. 主机发送start信号，发送7bit从机地址和写控制位位(0)
2. 从机响应start信号，匹配地址。如果匹配判断读/写标志位，从机发送ACK校验;如果地址不匹配，不发送ACK
3. 主机发送1byte数据
4. 从机接收数据，发送ACK校验；否则不发送ACK校验
5. 重复3、4
6. 主机发送stop信号，终止本次通信

master 1 2 3 4 5 6 7 8 信号 start address write ACK data ACK 重复5、6 stop bit 7 1 1 8 1 …

主机接收-从机发送

1. 主机发送start信号，发送7bit从机地址和写控制位(0)
2. 从机相应start信号，匹配地址。如果匹配判断读写标志位，从机发送ACK校验;如果地址不匹配，不发送ACK
3. 主机发送1byte数据
4. 从机接收数据，并发送ACK校验；否则不发送ACK校验
5. 重复3、4
6. 主机发送restart信号，发送7bit从机地址和读控制位(1)
7. 从机相应restart信号，并判断地址是否匹配。如果匹配判断读/写标志位，发送ACK校验信号。否则，不发送ACK校验
8. 从机发送1byte数据
9. 主机接收数据，并发送ACK校验
10. 主机接收最后一位数据，发送NACK检验
11. 主机发送stop信号，本次通信结束

master 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 信号 start address write ACK restart address read ACK data ACK 重复9、10 last data NACK stop bit 7 1 1 7 1 1 8 1 … 8 1

#注：主机读取从机特定地址上的数据

I2C协议代码分析

开发环境

• 飞思卡尔FRDM-K64F开发板
• KDS3.2集成开发环境
• 飞思卡尔官方KSDK2.0开发库
• ubuntu16.04操作系统

代码实例

master主机

/* 产生start信号，发送地址数据，读/写操作 */result = I2C_MasterStart(I2C_MASTER, I2C_SLAVE_ADDR, kI2C_Write);/* 等待slave回复ACK信号 */while (I2C_MASTER->S & kI2C_ReceiveNakFlag);/* 发送数据 */result = I2C_MasterWriteBlocking(I2C_MASTER, masterTxBuffer, I2C_DATA_LEN);/* restart信号 */result = I2C_MasterRepeatedStart(I2C_MASTER, I2C_SLAVE_ADDR, kI2C_Read);/* 等待slave回复ACK信号 */while (I2C_MASTER->S & kI2C_ReceiveNakFlag);/* 读取数据 */I2C_MasterReadBlocking(I2C_MASTER, masterRxBuffer, 2 * sizeof(uint8_t));

slave从机

/* check stop flag */if (status & kI2C_StopDetectFlag) {    I2C_SLAVE->S = kI2C_IntPendingFlag;    I2C_SlaveClearStatusFlags(I2C_SLAVE, kI2C_StopDetectFlag);    isStop = true;    return ;}/* check start flag */if (status & kI2C_StartDetectFlag) {    isStart = true;    I2C_SLAVE->S = kI2C_IntPendingFlag;    I2C_SlaveClearStatusFlags(I2C_SLAVE, kI2C_StartDetectFlag);    if (!(status & kI2C_AddressMatchFlag)) {        return;    }}/* clear pending flag */I2C_SLAVE->S = kI2C_IntPendingFlag;/* check NAK */if (status & kI2C_ReceiveNakFlag) {    /* nothing to do */    /* Receive mode */    I2C_SLAVE->C1 &= ~(I2C_C1_TX_MASK | I2C_C1_TXAK_MASK);    I2C_SLAVE->D;    PRINTF("NAK\r\n");}/* Slave address match */else if (status & kI2C_AddressMatchFlag) {    if (status & kI2C_TransferDirectionFlag) {        /* Slave transfer mode */        I2C_SLAVE->C1 |= I2C_C1_TX_MASK;        isTransfer = true;    } else {        /* Slave recive mode */        I2C_SLAVE->C1 &= ~(I2C_C1_TX_MASK | I2C_C1_TXAK_MASK);        I2C_SLAVE->D;        isRecive = true;        return;    }}/* Transfer data */if (status & kI2C_TransferCompleteFlag) {    /* Transmit data to master */    if (status & kI2C_TransferDirectionFlag) {        I2C_SLAVE->D = slaveRxBuffer[1];    }    else {        /* Receive data from master */        slaveRxBuffer[receive_data_len] = I2C_SLAVE->D;        receive_data_len++;    }}

问题分析

I2C从机读取数据时，读取的第一字节数据总是为0x00。在KSDK2.0代码库中，I2C主机在读取数据之前，会先读取1byte的无效数据（Do dummy read），然后读取有效数据，KSDK库函数代码如下：

status_t I2C_MasterReadBlocking(I2C_Type *base, uint8_t *rxBuff, size_t rxSize){    status_t result = kStatus_Success;    volatile uint8_t dummy = 0;    /* Add this to avoid build warning. */    dummy++;    /* Wait until the data register is ready for transmit. */    while (!(base->S & kI2C_TransferCompleteFlag))    {    }    /* Clear the IICIF flag. */    base->S = kI2C_IntPendingFlag;    /* Setup the I2C peripheral to receive data. */    base->C1 &= ~(I2C_C1_TX_MASK | I2C_C1_TXAK_MASK);    /* If rxSize equals 1, configure to send NAK. */    if (rxSize == 1)    {        /* Issue NACK on read. */        base->C1 |= I2C_C1_TXAK_MASK;    }    /* Do dummy read. */    dummy = base->D;    while ((rxSize--))    {        /* Wait until data transfer complete. */        while (!(base->S & kI2C_IntPendingFlag))        {        }        /* Clear the IICIF flag. */        base->S = kI2C_IntPendingFlag;        /* Single byte use case. */        if (rxSize == 0)        {            /* Read the final byte. */            result = I2C_MasterStop(base);        }        if (rxSize == 1)        {            /* Issue NACK on read. */            base->C1 |= I2C_C1_TXAK_MASK;        }        /* Read from the data register. */        *rxBuff++ = base->D;    }    return result;}