很清晰的解读i2c协议

1.I2C协议

   2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。
   SDA传输数据是大端传输，每次传输8bit，即一字节。
   支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。
   总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0.
   系统中可能有多个同种芯片，为此addr分为固定部分和可编程部份，细节视芯片而定，看datasheet。

1.1 I2C位传输
   数据传输：SCL为高电平时，SDA线若保持稳定，那么SDA上是在传输数据bit；
   若SDA发生跳变，则用来表示一个会话的开始或结束（后面讲）
   数据改变：SCL为低电平时，SDA线才能改变传输的bit
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1.2 I2C开始和结束信号
   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。
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1.3 I2C应答信号

   Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。
   即在第9个clock，若从IC发ACK，SDA会被拉低。
   若没有ACK，SDA会被置高，这会引起Master发生RESTART或STOP流程，如下所示：
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1.4 I2C写流程
写寄存器的标准流程为：
1.    Master发起START
2.    Master发送I2C addr（7bit）和w操作0（1bit），等待ACK
3.    Slave发送ACK
4.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
5.    Slave发送ACK
6.   Master发送data（8bit），即要写入寄存器中的数据，等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.    第6步和第7步可以重复多次，即顺序写多个寄存器
9.    Master发起STOP

写一个寄存器
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写多个寄存器
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1.5 I2C读流程

读寄存器的标准流程为：
1.    Master发送I2Caddr（7bit）和 W操作1（1bit），等待ACK
2.    Slave发送ACK
3.    Master发送reg addr（8bit），等待ACK
4.    Slave发送ACK
5.   Master发起START
6.    Master发送I2C addr（7bit）和 R操作1（1bit），等待ACK
7.    Slave发送ACK
8.   Slave发送data（8bit），即寄存器里的值
9.   Master发送ACK
10.    第8步和第9步可以重复多次，即顺序读多个寄存器

读一个寄存器
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读多个寄存器
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2. PowerPC的I2C实现
Mpc8560的CCSR中控制I2C的寄存器共有6个。

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2.1 I2CADR 地址寄存器

CPU也可以是I2C的Slave，CPU的I2C地址有 I2CADR指定
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2.2 I2CFDR 频率设置寄存器
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The serial bit clock frequency of SCL is equal to the CCB clock divided by the divider.
用来设置I2C总线频率

2.3 I2CCR 控制寄存器
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MEN： Module Enable.    置1时，I2C模块使能
MIEN：Module Interrupt Enable. 置1时，I2C中断使能。
MSTA：Master/slave mode. 1 Master mode，0 Slave mode.
        当1->0时，CPU发起STOP信号
        当0->1时，CPU发起START信号
MTX：Transmit/receive mode select.0 Receive mode，1 Transmit mode
TXAK：Transfer acknowledge. 置1时，CPU在9th clock发送ACK拉低SDA
RSTA：Repeat START. 置1时，CPU发送REPEAT START
BCST：置1，CPU接收广播信息（信息的slave addr为7个0）

2.4 I2CSR 状态寄存器
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MCF：0  Byte transfer is in process
     1  Byte transfer is completed

MAAS：当CPU作为Slave时，若I2CDR与会话中Slaveaddr匹配，此bit被置1

MBB：0 I2C bus idle  
     1 I2C bus busy

MAL：若置1，表示仲裁失败
BCSTM：若置1，表示接收到广播信息

SRW：When MAAS is set, SRW indicates the value of the R/W command bit of the calling address, which is sent from the master.
   0 Slave receive, master writing to slave
   1 Slave transmit, master reading from slave

MIF：Module interrupt. The MIF bit is set when an interrupt is pending, causing a processor interrupt request(provided I2CCR[MIEN] is set)

RXAK：若置1，表示收到了ACK

2.5 I2CDR 数据寄存器
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这个寄存器储存CPU将要传输的数据。




3. PPC-Linux中I2C的实现

  内核代码中，通过I2C总线存取寄存器的函数都在文件drivers/i2c/busses/i2c-mpc.c中
  最重要的函数是mpc_xfer.
  
static int mpc_xfer(struct i2c_adapter *adap, struct i2c_msg *msgs, intnum)
{
    struct i2c_msg *pmsg;
    int i;
    int ret = 0;
    unsigned long orig_jiffies = jiffies;
    struct mpc_i2c *i2c = i2c_get_adapdata(adap);

    mpc_i2c_start(i2c);    // 设置I2CCR[MEN], 使能I2C module

    /* Allow bus up to 1s to become not busy */
    //一直读I2CSR[MBB]，等待I2C总线空闲下来
    while (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MBB) {
        if (signal_pending(current)) {
            pr_debug("I2C: Interrupted\n");
            writeccr(i2c, 0);
            return -EINTR;
        }
        if (time_after(jiffies, orig_jiffies + HZ)) {
            pr_debug("I2C: timeout\n");
            if (readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) ==
                (CSR_MCF | CSR_MBB | CSR_RXAK))
                mpc_i2c_fixup(i2c);
            return -EIO;
        }
        schedule();
    }

    for (i = 0; ret >= 0 && i < num; i++) {
        pmsg = &msgs[i];
        pr_debug("Doing %s %d bytes to 0x%02x - %d of %d messages\n",
             pmsg->flags & I2C_M_RD ? "read" : "write",
             pmsg->len, pmsg->addr, i + 1, num);
        //根据消息里的flag进行读操作或写操作
        if (pmsg->flags & I2C_M_RD)
            ret = mpc_read(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
        else
            ret = mpc_write(i2c, pmsg->addr, pmsg->buf, pmsg->len, i);
    }
    mpc_i2c_stop(i2c);    //保证为I2CCSR[MSTA]为0，保证能触发STOP
    return (ret < 0) ? ret : num;
}


static int mpc_write(struct mpc_i2c *i2c, int target,
             const u8 * data, int length, int restart)
{
    int i;
    unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
    u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

    /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能起来
    if (!restart)
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
    /* Start as master */       //写了I2CCR[CCR_MSTA]，触发CPU发起START信号
    writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);
    /* Write target byte */     //CPU发送一个字节，slave I2C addr和0 (写操作bit)
    writeb((target << 1), i2c->base + MPC_I2C_DR);

    if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)    //等待slave 发ACK
        return -1;

    for (i = 0; i < length; i++) {
        /* Write data byte */
        writeb(data[i], i2c->base + MPC_I2C_DR); //CPU接着发数据，包括reg addr和data

        if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)       //等待slave 发ACK
            return -1;
    }

    return 0;
}


static int i2c_wait(struct mpc_i2c *i2c, unsigned timeout, int writing)
{
    unsigned long orig_jiffies = jiffies;
    u32 x;
    int result = 0;

    if (i2c->irq == 0)
    {    //循环读I2CSR，直到I2CSR[MIF]置1
        while (!(readb(i2c->base + MPC_I2C_SR) & CSR_MIF)) {
            schedule();
            if (time_after(jiffies, orig_jiffies + timeout)) {
                pr_debug("I2C: timeout\n");
                writeccr(i2c, 0);
                result = -EIO;
                break;
            }
        }
        x = readb(i2c->base + MPC_I2C_SR);
        writeb(0, i2c->base + MPC_I2C_SR);
    } else {
        /* Interrupt mode */
        result = wait_event_interruptible_timeout(i2c->queue,
            (i2c->interrupt & CSR_MIF), timeout * HZ);

        if (unlikely(result < 0)) {
            pr_debug("I2C: wait interrupted\n");
            writeccr(i2c, 0);
        } else if (unlikely(!(i2c->interrupt & CSR_MIF))) {
            pr_debug("I2C: wait timeout\n");
            writeccr(i2c, 0);
            result = -ETIMEDOUT;
        }

        x = i2c->interrupt;
        i2c->interrupt = 0;
    }

    if (result < 0)
        return result;

    if (!(x & CSR_MCF)) {
        pr_debug("I2C: unfinished\n");
        return -EIO;
    }

    if (x & CSR_MAL) {    //仲裁失败
        pr_debug("I2C: MAL\n");
        return -EIO;
    }

    if (writing && (x & CSR_RXAK)) {//写后没收到ACK
        pr_debug("I2C: No RXAK\n");
        /* generate stop */
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
        return -EIO;
    }
    return 0;
}

static int mpc_read(struct mpc_i2c *i2c, int target,
            u8 * data, int length, int restart)
{
    unsigned timeout = i2c->adap.timeout;
    int i;
    u32 flags = restart ? CCR_RSTA : 0;

    /* Start with MEN */    //以防万一，保证I2C模块使能
    if (!restart)
        writeccr(i2c, CCR_MEN);
    /* Switch to read - restart */
    //注意这里，再次把CCR_MSTA置1，再触发 START
    writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_MTX | flags);


    /* Write target address byte - this time with the read flag set */
    //CPU发送slave I2C addr和读操作1
    writeb((target << 1) | 1, i2c->base + MPC_I2C_DR);
      
     //等待Slave发ACK
    if (i2c_wait(i2c, timeout, 1) < 0)
        return -1;

    if (length) {
        if (length == 1)
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);
        else //为什么不置 TXAK
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA);
        /* Dummy read */
        readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    }

    for (i = 0; i < length; i++) {
        if (i2c_wait(i2c, timeout, 0) < 0)
            return -1;

        /* Generate txack on next to last byte */
        //注意这里TXAK置1，表示CPU每收到1byte数据后，会发送ACK
        if (i == length - 2)
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_MSTA | CCR_TXAK);

        /* Generate stop on last byte */
        //注意这里CCR_MSTA [1->0] CPU会触发STOP
        if (i == length - 1)   
            writeccr(i2c, CCR_MIEN | CCR_MEN | CCR_TXAK);

        data[i] = readb(i2c->base + MPC_I2C_DR);
    }

    return length;

很清晰的解读i2c协议