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旧乡故客

发表于: 2018-7-24 10:24:34 | 显示全部楼层

楼主

本系列文章主要介绍如何使用Silicon Labs微控制器的SMBus外设设计一个I2C接口。共包含两个部分：

● 第一部分：I2C的基本概念

● 第二部分：I2C设计示例实践

本篇文章主要介绍基于Silicon Labs微控制器的SMBus外设的I2C接口的固件架构和示例代码。

I2C状态机

在上一篇文章中，我们讨论了以精心组织的状态机的形式实现I2C固件的重要性，其中从一个状态到另一个状态的进展对应于特定I2C事务所需的事件序列。我们还强调了SMBus中断标志是确保硬件事件和固件例程之间正确交互的关键。以下是主机/写操作的事件序列和状态机图：

轮询还是中断？

当然可以通过轮询（即“手动”检查）SMBus中断标志来实现该流程图，并且一旦硬件设置了标志就继续I2C执行。这种方法可能稍微简单一些，但总的来说，轮询完全不如中断驱动的架构。首先，基于中断的技术鼓励设计人员编写可靠、结构良好、可扩展的代码。此外，轮询是低效的，因为处理器在整个事务期间不可用于其他任务；这对于I2C来说尤其成问题，因为该协议经常使用低时钟频率。

例如，假设您有一个主/写事务，您需要将5个字节传输到从设备。在包含“从地址+ R / W”字节后，总共有6个字节。每个字节需要9个时钟周期（字节本身为8个，ACK / NACK为1个），总共54个时钟周期。假设您使用的是100 kHz时钟，根据官方I2C规范，它实际上是在“标准模式”下运行时允许的最大时钟频率。此事务所需的总时间为

Ttrans = 1100kHz×54个周期= 0.54ms

看上去觉得这时间不是很长，但对于运行在25 MHz的EFM8微控制器来说，可以在120 ns或更短的时间内执行大多数指令。假设“固件中断”部分 - 例如，检查ACK / NACK位、访问数据阵列、清除事务中每个事件的中断标志 - 需要大约20个汇编指令。我们可以通过假设这个6字节的事务需要7个这样的20个指令处理干预来进行粗略的处理时间估计。

TCPU =（7×20指令）×120ns = 0.017ms

⇒TCPU/Ttrans= 0.017 ms/0.54 ms = 0.031

因此，与I2C相关的处理器执行仅需要约3％的总事务时间。换句话说，如果您使用中断驱动的体系结构，则97％的事务时间可用于其他处理任务。在这个高性能、低功耗嵌入式设备时代，效率的提高尤其重要。现今，单个微控制器可能需要与多个设备连接，同时还与主机通信并最大限度地降低功耗。

从流程图到代码

Silicon Labs提供的详细I2C流程图使得从图表到固件的转换变得相当容易。大多数I2C操作都发生在中断服务程序（ISR）中，如下所示：

//-----------------------------------------------------------------------------
// SMBUS0_ISR
//-----------------------------------------------------------------------------
//
// SMBUS0 ISR Content goes here. Remember to clear flag bits:
// SMB0CN0::SI (SMBus Interrupt Flag)
//
//-----------------------------------------------------------------------------
SI_INTERRUPT (SMBUS0_ISR, SMBUS0_IRQn)
{
SFRPAGE_SAVE = SFRPAGE;
SFRPAGE = SMB0_PAGE;
switch(I2C_State)
{
//Master Read===================================================
case ...
...
...
...
//Master Write===================================================
case ...
...
...
...
}
SFRPAGE = SFRPAGE_SAVE;
}

复制代码

此摘录显示了ISR的整体结构。请注意，SFR（特殊功能寄存器）保存在ISR的开头并在结束时恢复。这是一种很好的做法，但只有在您的设备没有自动将SFR保存/恢复纳入中断处理程序时才是必须的。 ISR的其余部分由与需要处理的任何I2C事务类型中的事件相对应的代码块组成。根据I2C_State变量的值执行适当的代码块。我们使用预处理器定义来帮助我们跟踪各种状态：

#define MstR_STA_SENT 1
#define MstR_ADDR_SENT 2
#define MstR_READ_BYTE 3
#define MstR_DATA_READY 4
#define MstW_STA_SENT 10
#define MstW_ADDR_SENT 11
#define MstW_BYTE_SENT 12

复制代码

请注意，事务类型（master / write或master / read）包含在状态的整体特征中。这就是为什么我们只能使用一个switch语句来实现各种类型I2C事务的固件程序。但是，通过这种安排，您的一个全面的switch语句可能会变得有点笨拙，因此在您的ISR中，最好使用注释来可视化地组织不同的部分（例如，主/读，主/写，从/读，从/写）。

以下代码摘录提供了有关如何实现主/读和主/写功能的指导。

switch(I2C_State)
{
//Master Read===================================================
//start condition transmitted
case MstR_STA_SENT:
SMB0CN0_STA = 0; //clear start-condition bit
SMB0CN0_STO = 0; //make sure that stop-condition bit is cleared
SMB0DAT = (I2C_SlaveAddr<<1)|BIT0; //combine slave address with R/nW = 1
I2C_State = MstR_ADDR_SENT; //set state variable to next state
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
break;
//master transmitted "address + R/W" byte
case MstR_ADDR_SENT:
if(SMB0CN0_ACK == I2C_NACK) //if slave did not ACK
{
//cancel transmission and release bus, as follows:
SMB0CN0_STO = 1; //transmit stop condition
I2C_State = IDLE; //set current state as IDLE
}
else //if slave ACKed
{
if(I2C_NumReadBytes == 1) //if only one byte will be read
{
//master NACKs next byte to say "stop transmitting"
SMB0CN0_ACK = I2C_NACK;
}
else //if more than one byte will be read
{
//master ACKs next byte to say "continue transmitting"
SMB0CN0_ACK = I2C_ACK;
}
RcvdByteCount = 0; //this variable will be an index for storing received bytes in an array
I2C_State = MstR_READ_BYTE; //set next state
}
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
break;
//master received a byte
case MstR_READ_BYTE:
I2C_RcvData[RcvdByteCount] = SMB0DAT; //store received byte
RcvdByteCount++; //increment byte counter (which is also the array index)
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
if(RcvdByteCount == I2C_NumReadBytes) //if this was the final byte
{
//release bus, as follows:
SMB0CN0_STO = 1; //transmit stop condition
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
I2C_State = MstR_DATA_READY; //this state tells the while loop in main() that the received data is ready
}
else if(RcvdByteCount == (I2C_NumReadBytes-1)) //if the next byte is the final byte
{
SMB0CN0_ACK = I2C_NACK; //master NACKs next byte to say "stop transmitting"
}
else
{
SMB0CN0_ACK = I2C_ACK; //master ACKs next byte to say "continue transmitting"
}
break;
}

复制代码

switch(I2C_State)
{
//Master Write===================================================
//start condition transmitted
case MstW_STA_SENT:
SMB0CN0_STA = 0; //clear start-condition bit
SMB0CN0_STO = 0; //make sure that stop-condition bit is cleared
SMB0DAT = (I2C_SlaveAddr<<1); //combine slave address with R/nW = 0
I2C_State = MstW_ADDR_SENT; //set state variable to next state
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
break;
//master transmitted "address + R/W" byte
case MstW_ADDR_SENT:
if(SMB0CN0_ACK == I2C_NACK) //if slave did not ACK
{
//cancel transmission and release bus, as follows:
SMB0CN0_STO = 1; //transmit stop condition
I2C_State = IDLE; //set current state as IDLE
}
else //if slave ACKed
{
SMB0DAT = *I2C_WriteBufferPtr; //write first byte to SMBus data register
I2C_State = MstW_BYTE_SENT; //set next state
}
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
break;
//master transmitted a byte
case MstW_BYTE_SENT:
if(SMB0CN0_ACK == I2C_NACK) //if slave NACKed
{
//stop transmission and release bus, as follows:
SMB0CN0_STO = 1; //transmit stop condition
I2C_State = IDLE; //set current state as IDLE
}
//if slave ACKed and this was the final byte
else if(I2C_WriteBufferPtr == I2C_FinalWriteAddress)
{
SMB0CN0_STO = 1; //transmit stop condition
I2C_State = IDLE; //set current state as IDLE
}
//if slave ACKed and this was not the final byte
else
{
I2C_WriteBufferPtr++; //increment pointer that points at data to be transmitted
SMB0DAT = *I2C_WriteBufferPtr; //write next byte to SMBus data register
}
SMB0CN0_SI = 0; //clear interrupt flag
break;
}

复制代码

在主/读过程中，请注意在接收到相关字节之前（通过SMBus控制寄存器中的ACK / NACK位）设置ACK / NACK响应。因此，此特定实现应与启用的硬件ACK功能一起使用。

电梯直达

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旧乡故客

发表于: 2018-7-24 10:28:05 | 显示全部楼层

沙发

不仅仅是ISR

SMBus ISR中的状态机绝对是I2C实现中的关注焦点，但您仍需要启动事务并设置必要的变量。有多种方法可以做到这一点，有些方法比其他方式更优雅、更复杂或可扩展。以下代码演示了一种有效，方便的方法。

unsigned char I2C_State = IDLE; //state variable is initialized to IDLE
unsigned char I2C_SlaveAddr; //global variable for current slave address
unsigned char I2C_NumReadBytes; //number of bytes to be read
unsigned char idata *I2C_WriteBufferPtr; //pointer to bytes to be transmitted
unsigned char I2C_FinalWriteAddress; //ISR uses this to determine which byte is the final byte
//these "transaction arrays" contain all the information needed for a particular I2C transaction
unsigned char idata SLAVE1_Tx_EnableSensing[4] = {SLAVE1_ADDR, 2, 0x42, 0x10};
unsigned char idata SLAVE1_Tx_SetReadFirstRegAddr[3] = {SLAVE1_ADDR, 1, 0x40};
unsigned char idata SLAVE2_Tx_SetReadTempData[3] = {SLAVE2_ADDR, 1, 0x50};
unsigned char idata SLAVE2_Rx_TempData[3] = {SLAVE2_ADDR, 9};
void I2C_MasterWrite(unsigned char* PtrtoCmdBuffer) //function argument is simply the name of the transaction array
{
I2C_State = MstW_STA_SENT; //first state is "start condition generated"
I2C_SlaveAddr = PtrtoCmdBuffer[0]; //copy the slave address from the transaction array to the global variable
I2C_WriteBufferPtr = PtrtoCmdBuffer + 2; //set the address of the first data byte in the transaction array
I2C_FinalWriteAddress = I2C_WriteBufferPtr + (PtrtoCmdBuffer[1] - 1); //set the final address based on the number of bytes to be transmitted
SFRPAGE = SMB0_PAGE;
SMB0CN0_STA = 1; //initiate the transaction by setting the start-condition bit
}
void I2C_MasterRead(unsigned char* PtrtoCmdBuffer) //function argument is simply the name of the transaction array
{
I2C_State = MstR_STA_SENT; //first state is "start condition generated"
I2C_SlaveAddr = PtrtoCmdBuffer[0]; //copy the slave address from the transaction array to the global variable
I2C_NumReadBytes = PtrtoCmdBuffer[1]; //copy the number of bytes to be read from the transaction array to the global variable
SFRPAGE = SMB0_PAGE;
SMB0CN0_STA = 1; //initiate the transaction by setting the start-condition bit
}

复制代码

这种策略的关键是“事务数组”。为任何特定应用程序所需的每个特定I2C事务准备一个数组;该数组包含一个事务的所有相关信息，并且该信息通过全局变量传递给ISR。在这个例子中，数组的格式如下：对于主/写操作，我们使用{从地址，要传输的字节数，第一个数据字节，第二个数据字节，第三个数据字节，。。 }。对于主/读操作，它是{从地址，要读取的字节数}。您只需使用相应的事务数组标识符作为单个参数调用I2C_MasterWrite（）或I2C_MasterRead（）函数。

请注意，事务数组和指针使用“idata”关键字声明。这确保数组存储在EFM8的内部RAM中，以及编译器知道指针指向存储在内部RAM中的变量。你必须要小心一点，因为内部RAM中的数据只能用一个字节来寻址，但“外部”（虽然通常是物理上片上）RAM中的数据是用两个字节寻址的。因此，单字节指针变量无法正确地处理外部RAM中的数据。 Simplicity Studio附带的Keil编译器应该能够对其进行排序并执行正确的指针初始化和转换，但最好真正理解您正在做的事情并相应地微调代码。

实际测量

在所有这些固件开发过程中，我们不要忘记，目标是生成实际的电信号。以下是一些I2C示波器捕捉截图。上部迹线是时钟，下部迹线是数据线。您会注意到当时钟为低电平时（即无效时钟状态）会发生一些意外的窄脉冲。发生这种情况是因为主设备停止驱动数据线以允许从设备发送ACK或NACK。从机在ACK确认时数据线保持低电平，但是当时钟返回到无效状态时，从机停止驱动数据线。这意味着在此时钟低电平期间，主机和从机都不驱动数据线，因此信号在主机再次驱动为低电平之前浮动到逻辑高电平。