1.I2C应用编程
1.1 I2C视频介绍
参考资料：
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1.1.1 I2C硬件框架
在一个芯片(SoC)内部，有一个或多个I2C控制器
在一个I2C控制器上，可以连接一个或多个I2C设备
I2C总线只需要2条线：时钟线SCL、数据线SDA
在I2C总线的SCL、SDA线上，都有上拉电阻
1.1.2 I2C软件框架
以I2C接口的存储设备AT24C02为例：
APP：
提出要求：把字符串"www.100ask.net"写入AT24C02地址16开始的地方
它是大爷，不关心底层实现的细节
它只需要调用设备驱动程序提供的接口
AT24C02驱动：
它知道AT24C02要求的地址、数据格式
它知道发出什么信号才能让AT24C02执行擦除、烧写工作
它知道怎么判断数据是否烧写成功
它构造好一系列的数据，发给I2C控制器
I2C控制器驱动
它根据I2C协议发出各类信号：I2C设备地址、I2C存储地址、数据
它根据I2C协议判断
1.1.3 我们讲什么
1 对于Linux
从上到下：
先讲I2C协议
APP可以通过两类驱动程序访问设备
I2C Device Driver
I2C设备自己的驱动程序，内核自带的i2c-dev.c驱动程序，它是i2c控制器驱动程序暴露给用户空间的驱动程序(i2c-dev.c)
I2C Controller Driver
芯片I2C控制器的驱动程序(称为adapter)，使用GPIO模拟的I2C控制器驱动程序(i2c-gpio.c)
2 对于单片机/裸机
从上到下：
先讲I2C协议
APP
I2C Device Driver
I2C Controller Driver(也被称为adapter)
1.2 I2C协议
参考资料：
i2c_spec.pdf
1.2.1 硬件连接
I2C在硬件上的接法如下所示，主控芯片引出两条线SCL,SDA线，在一条I2C总线上可以接很多I2C设备，我们还会放一个上拉电阻（放一个上拉电阻的原因以后我们再说）。
1.2.2 传输数据类比
怎么通过I2C传输数据，我们需要把数据从主设备发送到从设备上去，也需要把数据从从设备传送到主设备上去，数据涉及到双向传输。举个例子：
体育老师：可以把球发给学生，也可以把球从学生中接过来。
发球：
老师：开始了(start)
老师：A！我要发球给你！(地址/方向)
学生A：到！(回应)
老师把球发出去（传输）
A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）
老师：结束（停止）
接球：
老师：开始了(start)
老师：B！把球发给我！(地址/方向)
学生B：到！
B把球发给老师（传输）
老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）
老师：结束（停止）
我们就使用这个简单的例子，来解释一下IIC的传输协议：
老师说开始了，表示开始信号(start)
老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)
老师发球/接球，表示数据的传输
收到球要回应：回应信号(ACK)
老师说结束，表示IIC传输结束§
1.2.3 IIC传输数据的格式
1 写操作
流程如下：
主芯片要发出一个start信号
然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
主设备发送一个字节数据给从设备，并等待回应
每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。
下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"
2 读操作
流程如下：
主芯片要发出一个start信号
然后发出一个设备地址(用来确定是往哪一个芯片写数据)，方向(读/写，0表示写，1表示读)
从设备回应(用来确定这个设备是否存在)，然后就可以传输数据
从设备发送一个字节数据给主设备，并等待回应
每传输一字节数据，接收方要有一个回应信号（确定数据是否接受完成)，然后再传输下一个数据。
数据发送完之后，主芯片就会发送一个停止信号。
下图：白色背景表示"主→从"，灰色背景表示"从→主"
3.I2C信号
I2C协议中数据传输的单位是字节，也就是8位。但是要用到9个时钟：前面8个时钟用来传输8数据，第9个时钟用来传输回应信号。传输时，先传输最高位(MSB)。
开始信号（S）：SCL为高电平时，SDA山高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号（P）：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
响应信号(ACK)：接收器在接收到8位数据后，在第9个时钟周期，拉低SDA
SDA上传输的数据必须在SCL为高电平期间保持稳定，SDA上的数据只能在SCL为低电平期间变化
I2C协议信号如下：
4.协议细节
如何在SDA上实现双向传输？
主芯片通过一根SDA线既可以把数据发给从设备，也可以从SDA上读取数据，连接SDA线的引脚里面必然有两个引脚（发送引脚/接受引脚）。
主、从设备都可以通过SDA发送数据，肯定不能同时发送数据，怎么错开时间？
在9个时钟里，
前8个时钟由主设备发送数据的话，第9个时钟就由从设备发送数据；
前8个时钟由从设备发送数据的话，第9个时钟就由主设备发送数据。
双方设备中，某个设备发送数据时，另一方怎样才能不影响SDA上的数据？
设备的SDA中有一个三极管，使用开极/开漏电路(三极管是开极，CMOS管是开漏，作用一样)，如下图：
真值表如下：
从真值表和电路图我们可以知道：
当某一个芯片不想影响SDA线时，那就不驱动这个三极管
想让SDA输出高电平，双方都不驱动三极管(SDA通过上拉电阻变为高电平)
想让SDA输出低电平，就驱动三极管
从下面的例子可以看看数据是怎么传的（实现双向传输）。
举例：主设备发送（8bit）给从设备
前8个clk
从设备不要影响SDA，从设备不驱动三极管
主设备决定数据，主设备要发送1时不驱动三极管，要发送0时驱动三极管
第9个clk，由从设备决定数据
主设备不驱动三极管
从设备决定数据，要发出回应信号的话，就驱动三极管让SDA变为0
从这里也可以知道ACK信号是低电平
从上面的例子，就可以知道怎样在一条线上实现双向传输，这就是SDA上要使用上拉电阻的原因。
为何SCL也要使用上拉电阻？
在第9个时钟之后，如果有某一方需要更多的时间来处理数据，它可以一直驱动三极管把SCL拉低。
当SCL为低电平时候，大家都不应该使用IIC总线，只有当SCL从低电平变为高电平的时候，IIC总线才能被使用。
当它就绪后，就可以不再驱动三极管，这是上拉电阻把SCL变为高电平，其他设备就可以继续使用I2C总线了。
对于IIC协议它只能规定怎么传输数据，数据是什么含义由从设备决定。
1.3 SMBus协议
参考资料：
Linux内核文档：Documentation\i2c\smbus-protocol.rst
SMBus协议：http://www.smbus.org/specs/
SMBus_3_0_20141220.pdf
I2CTools: https://mirrors.edge.kernel.org/pub/software/utils/i2c-tools/
1.3.1 SMBus是I2C协议的一个子集
SMBus: System Management Bus，系统管理总线。
SMBus最初的目的是为智能电池、充电电池、其他微控制器之间的通信链路而定义的。
SMBus也被用来连接各种设备，包括电源相关设备，系统传感器，EEPROM通讯设备等等。
SMBus 为系统和电源管理这样的任务提供了一条控制总线，使用 SMBus 的系统，设备之间发送和接收消息都是通过 SMBus，而不是使用单独的控制线，这样可以节省设备的管脚数。
SMBus是基于I2C协议的，SMBus要求更严格，SMBus是I2C协议的子集。
SMBus有哪些更严格的要求？跟一般的I2C协议有哪些差别？
1.VDD的极限值不一样
I2C协议：范围很广，甚至讨论了高达12V的情况 SMBus：1.8V~5V
2.最小时钟频率、最大的Clock Stretching
Clock Stretching含义：某个设备需要更多时间进行内部的处理时，它可以把SCL拉低占住I2C总线 I2C协议：时钟频率最小值无限制，Clock Stretching时长也没有限制 SMBus：时钟频率最小值是10KHz，Clock Stretching的最大时间值也有限制
3.地址回应(Address Acknowledge)
一个I2C设备接收到它的设备地址后，是否必须发出回应信号？ I2C协议：没有强制要求必须发出回应信号 SMBus：强制要求必须发出回应信号，这样对方才知道该设备的状态：busy，failed，或是被移除了
4.SMBus协议明确了数据的传输格式
I2C协议：它只定义了怎么传输数据，但是并没有定义数据的格式，这完全由设备来定义 SMBus：定义了几种数据格式(后面分析)
5.REPEATED START Condition(重复发出S信号)
比如读EEPROM时，涉及2个操作： 把存储地址发给设备 读数据 在写、读之间，可以不发出P信号，而是直接发出S信号：这个S信号就是REPEATED START
如下图所示
SMBus Low Power Version
SMBus也有低功耗的版本
