I2C总线协议的软件模拟实现方法

在上一篇博客中已经讲过I2C总线通信协议,本文讲述I2C总线协议的软件模拟实现方法。

1. 简述

所谓的I2C总线协议的软件模拟实现方法,就是用软件控制GPIO的输入、输出和高低电平变化,来模拟I2C总线通讯过程中SCL、SDA的电平变化来实现的。

2. I2C总线的封装

每个处理器对应的GPIO操作都有差异,即使是同一款处理器,不同的人也会有不同的GPIO封装风格,就以我个人习惯用的GPIO方法为例来进行讲解。我习惯上将GPIO的组和位封装为一个结构体,这样使用方便,看起来也更直观。

typedef struct {
unsigned char group;
unsigned char bit;
} gpio_t;

将I2C总线中使用的SCL和SDA的GPIO进一步进行封装。

typedef struct {
gpio_t scl;
gpio_t sda;
} i2c_gpio_t;

将I2C总线软件模拟部分当做驱动程序中的一个模块来使用,定义一个结构体来封装I2C模块中的一些全局变量,如:GPIO、锁等等。本文中的锁只是为了保证I2C的一个操作步骤是原子的,所有锁的使用可以忽略,如果想要了解更过关于锁的使用方法,请关注另外一篇博客(还没来得及写,以后会补充)。

typedef struct {
i2c_gpio_t gpio;
spinlock_t lock;
struct mutex i2c_mutex;
} i2c_info_t;

3. 软件模拟实现

3.1 I2C总线的初始化

1)先初始化I2C总线,具体要做的内容是,先把外部调用I2C模块时要使用的GPIO引脚,作为参数传递到I2C模块,用来进行一系列的操作。在这里将GPIO作为参数传递到I2C模块后,保存在全局变量的结构体中。

2)再初始化I2C总线的GPIO引脚,即将用来代替模拟I2C总线中SCL、SDA引脚的GPIO设置为输出,并输出高电平,因为两条线上都接有上拉电阻,I2C总线空闲时默认SCL、SDA都处于高电平,也就是空闲状态。

3)如果要使用锁机制,需要在这一步中将锁初始化。

// I2C模块初始化
int i2c_init(i2c_gpio_t *gpio)
{
i2c_debug("i2c_init"); // 初始化锁
spin_lock_init(&i2c_info.lock);
mutex_init(&i2c_info.i2c_mutex); // 初始化全局变量中I2C的GPIO
i2c_info.gpio.scl = gpio->scl;
i2c_info.gpio.sda = gpio->sda; i2c_gpio_init(); return 0;
}
// I2C的GPIO初始化
static void i2c_gpio_init(void)
{
i2c_debug("i2c_gpio_init");
i2c_sda_init();
i2c_scl_init();
}
// I2C的SCL初始化
static void i2c_scl_init(void)
{
i2c_debug("scl init");
SET_SCL_OUT;
SET_SCL_HIGH;
}
// I2C的SDA初始化
static void i2c_sda_init(void)
{
i2c_debug("sda init");
SET_SDA_OUT;
SET_SDA_HIGH;
}

3.2 I2C总线的起始位

I2C总线在开始通信时要先发送一个起始位标志,起始位是在SCL为高电平时,SDA由高电平变为低电平。

// I2C总线的起始位
int i2c_start(void)
{
mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY);
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex); return 0;
}

3.3 I2C总线的结束位

I2C总线在数据传输完成后,需要发送一个结束位,来结束I2C通讯,并释放I2C总线,结束位是在SCL为高电平时,SDA由低电平变为高电平

// I2C总线的结束位
int i2c_stop(void)
{
mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_HIGH;
udelay(I2C_DELAY);
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex); return 0;
}

3.4 I2C总线的应答

为了统一管理和使用方便,将I2C总线的等待应答、发送应答信号、发送非应答信号封装在一起进行管理。

1)I2C总线的等待应答

在I2C总线通讯时,主设备给从设备发送一个字节的数据后,要等待从设备的一个应答信号,这时候主设备处于等待应答状态,需要检测从设备的应答信号是否到来,如果从设备的应答信号到来,主设备就继续给从设备发送下一个字节的数据,或者发送停止位结束I2C通讯;如果在主设备等待超时后,从设备的应答信号时钟不到来,就说明I2C总线通讯中出现问题,主设备跳出等待,直接发送结束位,以结束I2C总线通讯。

// I2C总线的等待应答
static int i2c_wait_ack(void)
{
int ack_times = 0;
int ret = 0; mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_IN;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); ack_times = 0;
// 检测从设备应答信号
while (GET_SDA_VAL) {
ack_times++;
// 判断等待是否超时
if (ack_times == 10) {
ret = 1;
i2c_error("i2c ack error, no ack");
break;
}
} SET_SCL_LOW;
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex); return ret;
}

2)I2C总线的发送应答

在I2C总线通信的时候,主设备每次接收到从设备发送的一个字节数据后,要给从设备发送应答信号(ACK)以继续接收从设备的数据,或者给从设备发送非应答信号(NOACK)以结束接收从设备的数据。

应答信号(ACK)就是先拉低SDA线,并在SCL为高电平期间保持SDA线为低电平

// I2C总线发送应答信号
static int i2c_send_ack(void)
{
i2c_debug("i2c_send_ack"); mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY);
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex); return 0;
}

非应答信号(NOACK)就是不要拉低SDA线(此时SDA线为高电平),并在SCL为高电平期间保持SDA线为高电平。

// I2C总线发送非应答信号
static int i2c_send_noack(void)
{
i2c_debug("i2c_send_noack"); mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY); SET_SDA_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY);
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex); return 0;
}

3.5 I2C总线的写操作

// I2C总线的写操作
int i2c_write_byte(u8 data)
{
unsigned long flag = 0;
u8 i = 0; local_irq_save(flag);
preempt_disable();
mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex);
SET_SDA_OUT;
udelay(I2C_DELAY); for (i = 0; i < 8; i++) {
if (data & 0x80) {
SET_SDA_HIGH;
} else {
SET_SDA_LOW;
}
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY); data <<= 0x1;
}
mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex);
preempt_enable();
local_irq_restore(flag); return 0;
}
int i2c_write_byte_with_ack(u8 data)
{
i2c_write_byte(data);
if (i2c_ack(I2C_WAIT_ACK)) {
i2c_error("wait ack failed, no ack");
i2c_stop();
return -1;
} return 0;
}

3.6 I2C总线的读操作

// I2C总线的读操作
int i2c_read_byte(u8 *data)
{
unsigned long flag = 0;
u8 ret = 0;
u8 i = 0; local_irq_save(flag);
preempt_disable();
mutex_lock(&i2c_info.i2c_mutex); SET_SDA_IN;
udelay(I2C_DELAY); for (i = 0; i < 8; i++) {
SET_SCL_HIGH;
udelay(I2C_DELAY); ret <<= 1; if (GET_SDA_VAL) {
ret |= 0x01;
} SET_SCL_LOW;
udelay(I2C_DELAY);
} mutex_unlock(&i2c_info.i2c_mutex);
preempt_enable();
local_irq_restore(flag); *data = ret; return 0;
}

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