CS5536上的I2C总线的应用
2008-05-21 13:28:41
以前我们使用AMD 的GX1搭配CS5530做主板，用的还比较顺手，后来AMD的GX1停产了，加上欧洲无铅化的要求，只好在AMD的LX CPU搭配CS5536开新主板，在这片新主板上，我们为了能有一个较好的AV输出，放上了一颗AIT2138的芯片，专门负责把VGA输出转换成AV输出，AIT2138这颗芯片也可以不用软件去控制，但是如果能用软件控制，当然更好，AIT2138上有一个I2C总线可以实现软件控制，我们看到CS5536上也有一个I2C总线的接口，于是我们把他们接到了一起，实践证明，非常有效，本文将重点介绍CS5536上的这个I2C总线接口的操作方法。
1、I2C总线介绍
I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由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。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。
I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性；另一个优点是它支持多主控， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率，当然，在任何时间点上只能有一个主控。
I2C总线只有两条线，数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。
上图截自I2C总线的规范，它清楚地告诉我们，I2C总线，只有两条线，所有的设备（IC）都并联接在这两条线上，图中有两个MICRO CONTROLLER，A和B，告诉我们在I2C总线上可以连接多个主控。下面我们尽可能简单地说明它的通信原理。
上图同样截自I2C总线的规范，它清楚地告诉我们，I2C总线在空闲状态由两个上拉电阻把总线拉到高电平，器件对I2C总线的控制只有释放和拉低这两种方式，这一点对后面理解信号很有帮助。
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。
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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。
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结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
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应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，可以判断为受控单元出现故障。
先看开始和结束信号，空闲状态，SDA、SCL高，当某个主控器件要传输或接收数据时，它要将SDA拉低，这便产生一个开始信号，之后，主控机要控制SCL，开始在SCL上发送时钟信号，当传输完毕后，主控机首先释放SCL，然后再释放SDA，经过一定时延后，认为传输结束。
在开始信号后，主控期间开始发送时钟信号，根据规范，SDA上的数据要在SCL为低时改变，在SCL为高时保持稳定，这样数据位就可以在总线上传输，数据必须以8位为一组传输，高位在前，低位再后，8位之后要有一个确认位，在确认位的时钟周期，主控机释放SDA，此时SDA为高，从机要把SDA拉低，同时保证在SCL为高电平时保持信号稳定，如果从机由于某些原因不能马上响应下一位的数据传输，可以一直保持SDA为低，直到可以响应为止，此时，主控机将处于等待状态。
根据规范，主控机在I2C上传输的第一个字节（8位）中，bit0–bit6为地址，bit7位读/写位，0表示要向从机写信息，即由主控机向从机发送数据，1表示读数据，即表示准备从从机接收数据。很显然，接在总线上的所有器件均可以收到这个信息，但应该只有与地址码相符的从机响应，否则将引起混乱。
基本上I2C总线的传输原理就是这样，并不复杂，可以很容易地使用单片机实现，下面是I2C总线规范的下载地址：
- 英文原版I2C总线规范：http://blog.whowin.net/specification/i2c-en.pdf
- 中文翻译版I2C总线规范：http://blog.whowin.net/specification/i2c-cn.pdf
个人建议尽量阅读原文文献，但中文版可以做参考，对概念的理解会有帮助。
2、CS5536上的I2C总线
在CS5536这颗芯片上集成了一个I2C总线，在芯片的DATASHEET中被称作为System Management Bus Controller，简称SMB，有7个内部寄存器控制总线，使操作变得十分方便。
SMBCTL2和SMBCTL3用来指定在SCL上发送的时钟频率，其中SMBCTL2的bit0是一个使能位，1–SMB使能，0–SMB禁止，bit1–bit7是时钟频率的低7位，SMBCTL3的bit0–bit7是时钟频率的高8位，一共15位（抱歉，这些与上图中标注不符，上图尽管截自规范，但很遗憾，其中的SMBCTL2和SMBCTL3是错的），始终频率的结果符合下面公式：
$ t_{SCL} = 2 \times SCLFRQ \times t_{clk} $
下面我们仅介绍工作在主控状态时，信号的产生方法，但CS5536也可以工作在从机模式。
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START信号的产生
- 把SMBCTL1的INTEN置为0，采用轮询方式，如果使用中断方式，可以设为1
- 把SMBCTL1的START置为1，表示要产生START信号
这将使CS5536发出START信号，如果总线发生冲突，SMBST的BER将置为1；如果没有冲突，SMBST的MASTER和SDAST将被置为1，其中MASTER=1表明CS5536工作在主控方式，SDAST=1表明准备好发送数据位。
-
发送地址字节
发送的地址字节不能是自己的地址，另外，在SMB的寄存器中，有一个SMBADDR寄存器，这个寄存器是CS5536做从机时用的，里面放本机地址，用于比较总线上发出的地址信息，要特别说明的是，这个寄存器不是用于放地址字节的。实际发送地址字节与发送数据基本无异。
- 把7位地址位和一位数据传送方向位按照前面介绍I2C总线时介绍的顺序放到SMBSDA中
- SMBSDA中的数据发送到总线上，地址字节发送完毕。
- 在发送地址字节时，如果发生冲突，SMBST的BER将置位，同时SMBST的MASTER将被清0
- 发送完毕，将把收到的确认位放到SMBST的NEGACK中
-
发送数据
先说明一下SMBCTL1的STASTRE的作用，如果这位置1，当发送完一个字节并收到确认信号后，CS5536会把SDA拉低，使总线进入等待状态（前面有介绍），此时SMBST的STASTR会置位，表明总线处于等待状态，要清除此状态需要读取SMBST寄存器，如果下一字节不需进入等待，请记得把SMBCTL1的STASTRE清0。
- 检查SMBST的BER和NEGACK，均应该是0，BER为1说明出错（一般是总线冲突），NEGACK为1说明没有收到相应的确认信号，所以在这种情况下再发数据没有意义。
- 在SMBST的BER和NEGACK均为0的情况下，检查SMBST的SDAST，如果为1，表示可以发送数据
- 把要发送的数据字节放到SMBSDA中
- 数据发送到总线上
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STOP信号的产生
- 在发送最后一个字节后不要去读SMBST
- 将SMBCTL1的STOP置1
-
如何操作CS5536的SMB？
- 说了半天，我们一直说SMB的寄存器，而且一直用的是偏移地址，那么到底SMB的基地址是多少？应该用I/O方式还是访问存储器的方式访问SMB呢？
- CS5536的所有器件均以虚拟PCI的形式挂在PCI总线上，SMB挂接在其中的ISA上，ISA的基地址就是SMB的基地址，CS5536的Vendor ID是0x1022，这个在以前的文章中说过，ISA的Device ID是0x2090，通过这两个条件就可以在PCI总线上找到这个设备，然后读取它的基地址即可。SMB的寄存器是用I/O端口映射的，所以要用in和out指令操作SMB的寄存器。
- 有关CS5536的datasheet在下面地址下可以下载：http://blog.hengch.com/datasheet/cs5536.pdf
3、一个简单的应用
下面是一个类，我实际用在系统中用CS5536的SMB连接AIT2138的应用中，类中有产生各种信号的源代码，我想对读者理解CS5536和I2C总线均会有帮助。
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/***********************************************************
* class : AIT2138
* int getStatus(void) : return class status
* 0--exist AIT2138
* -1--No PCI BIOS -2--NO AIT2138
* int getData(int regNo) : get Data from AIT2138
* return : see function note
* int setData(int regNo, char value) : set data to ait2138
* return : see function note
************************************************************/
001 #define CS5536_VENDOR_ID 0X1022
002 #define CS5536_ISA_DEVICE 0X2090
// SMB NATIVE REGISTER
003 #define SMBSDA 0X00
004 #define SMBST 0X01
005 #define SMBCST 0X02
006 #define SMBCTL1 0X03
007 #define SMBADDR 0X04
008 #define SMBCTL2 0X05
009 #define SMBCTL3 0X06
// BIT DEFINE
010 #define SMBSDA_DIRECTION 0X80 // BIT 7
011 #define SMBST_XMIT 0X01 // BIT 0
012 #define SMBST_MASTER 0X02 // BIT 1
013 #define SMBST_NMATCH 0X04 // BIT 2
014 #define SMBST_STASTR 0X08 // BIT 3
015 #define SMBST_NEGACK 0X10 // BIT 4
016 #define SMBST_BER 0X20 // BIT 5
017 #define SMBST_SDAST 0X40 // BIT 6
018 #define SMBST_SLVSTP 0X80 // BIT 7
019 #define SMBCST_BUSY 0X01 // BIT 0
020 #define SMBCST_BB 0X02 // BIT 1
021 #define SMBCST_MATCH 0X04 // BIT 2
022 #define SMBCST_GCMTCH 0X08 // BIT 3
023 #define SMBCST_TSDA 0X10 // BIT 4
024 #define SMBCST_TGSCL 0X20 // BIT 5
025 #define SMBCTL1_START 0X01 // BIT 0
026 #define SMBCTL1_STOP 0X02 // BIT 1
027 #define SMBCTL1_INTEN 0X04 // BIT 2
028 #define SMBCTL1_ACK 0X10 // BIT 4
029 #define SMBCTL1_GCMEN 0X20 // BIT 5
030 #define SMBCTL1_NMINTE 0X40 // BIT 6
031 #define SMBCTL1_STASTRE 0X80 // BIT 7
032 #define SMBADDR_SAEN 0X80 // BIT 7
033 #define SMBCTL2_SCLFRQ 0X80 // BIT 7
034 #define SMBCTL3_SCLFRQ 0X80 // BIT 7
035 class SMBCLASS {
036 protected:
037 __dpmi_regs r;
038 int i, j;
039 int status; // 0--DS3231 exist -1--No PCI BIOS -2--No DS3231
040 int retValue;
041 unsigned int busNo; // Bus Number
042 unsigned int devNo; // Device Number
043 unsigned int funcNo; // Function Number
044 unsigned int devFunc; //
045 unsigned long int baseAddr; // Base address of mixer
046 struct SMB {
047 char sda;
048 char st;
049 char cst;
050 char ctl1;
051 char addr;
052 char ctl2;
053 char ctl3;
054 }smb;
/**************************************
* CheckPCIBios
**************************************/
055 unsigned int CheckPCIBios(void) {
056 unsigned int i;
// Check BIOS Support PCI or not
057 r.x.ax = 0xb101;
058 __dpmi_int(0x1a, &r);
059 i = r.x.flags;
060 if ((i & 0x01) == 0) return 1;
061 else return 0;
062 }
/****************************************
* Find CS5536's PCI Configuration space
****************************************/
063 unsigned int FindCS5536(void) {
064 r.x.ax = 0xb102;
065 r.x.cx = CS5536_ISA_DEVICE; // Device ID
066 r.x.dx = CS5536_VENDOR; // Vendor ID
067 r.x.si = 0; // Device index 0--n
068 __dpmi_int(0x1a, &r); // Find PCI device
069 busNo = r.h.bh; // Bus nnmber
070 devFunc = r.h.bl; // device/function no(bits 7-3 device, bits 2-0 function)
071 return r.h.ah;
072 }
/**********************************************
* Read a dword fromPCI Configuration register
**********************************************/
073 unsigned long int ReadConfigDword(unsigned int reg) {
// Read Configure Byte
074 r.x.ax = 0xb10a;
075 r.h.bl = devFunc;
076 r.h.bh = busNo; // Bus number
077 r.x.di = reg; // register no
078 __dpmi_int(0x1a, &r);
079 return r.d.ecx;
080 }
/*******************************************
* Read a byte from SMB register
*******************************************/
081 char getI2cReg(int regOffset) {
082 return inportb(baseAddr + regOffset);
083 }
/*******************************************
* Write a byte to SMB register
*******************************************/
084 void setI2cReg(int regOffset, char value) {
085 outportb(baseAddr + regOffset, value);
086 }
/*********************************************
* Get content of all SMB registers
*********************************************/
087 void getAllRegs(void) {
088 smb.sda = getI2cReg(SMBSDA);
089 smb.st = getI2cReg(SMBST);
090 smb.cst = getI2cReg(SMBCST);
091 smb.ctl1 = getI2cReg(SMBCTL1);
092 smb.addr = getI2cReg(SMBADDR);
093 smb.ctl2 = getI2cReg(SMBCTL2);
094 smb.ctl3 = getI2cReg(SMBCTL3);
095 }
/****************************************
* Generate a START condition
* return : 0--OK
* -1--FAIL
* 1--OTHERS
****************************************/
096 int start(void) {
097 smb.ctl1 = getI2cReg(SMBCTL1);
098 smb.ctl1 &= (~SMBCTL1_INTEN);
099 smb.ctl1 |= SMBCTL1_START;
100 setI2cReg(SMBCTL1, smb.ctl1);
101 delay(2);
102 smb.st = getI2cReg(SMBST);
103 if ((smb.st & SMBST_BER) != 0)
104 return -1;
105 if ((smb.st & SMBST_SDAST) != 0 && (smb.st & SMBST_MASTER) != 0)
106 return 0;
107 return 1;
108 }
/*****************************************
* Clear STASTR
*****************************************/
109 void clearSTASTR(void) {
110 smb.st = getI2cReg(SMBST);
111 smb.st |= SMBST_STASTR;
112 setI2cReg(SMBST, smb.st);
113 }
/*****************************************
* Clear NEGACK
*****************************************/
114 void clearNEGACK(void) {
115 smb.st = getI2cReg(SMBST);
116 smb.st |= SMBST_NEGACK;
117 setI2cReg(SMBST, smb.st);
118 }
/*****************************************
* clear STASTRE
*****************************************/
119 void clearSTASTRE(void) {
120 smb.ctl1 = getI2cReg(SMBCTL1);
121 smb.ctl1 &= (~SMBCTL1_STASTRE);
122 setI2cReg(SMBCTL1, smb.ctl1);
123 }
/*****************************************
* set ACK
*****************************************/
124 void setACK(void) {
125 smb.ctl1 = getI2cReg(SMBCTL1);
126 smb.ctl1 |= SMBCTL1_ACK;
127 setI2cReg(SMBCTL1, smb.ctl1);
128 }
/*****************************************
* Sending a byte to bus
* return: 0--ok
* 1--NO ACK
* 2--NO ACK and SDAST = 0
* 3--OTHER ERROR
* 4--UNKNOWN
*****************************************/
129 int sendData(unsigned char aByte) {
130 clearSTASTR();
131 clearSTASTRE();
132 setI2cReg(SMBSDA, aByte);
133 delay(2);
134 smb.st = getI2cReg(SMBST);
135 if ((smb.st & SMBST_NEGACK) != 0) {
136 if ((smb.st & SMBST_SDAST) == 0)
137 return 2;
138 else return 1;
139 } else {
140 if ((smb.st & SMBST_BER) != 0)
141 return 3;
142 else if ((smb.st & SMBST_SDAST) != 0 && (smb.st & SMBST_MASTER) != 0)
143 return 0;
144 else return 4;
145 }
146 }
/*************************************
* generate a STOP condition
*************************************/
147 int stop(void) {
148 clearNEGACK();
149 clearSTASTR();
150 smb.sda = getI2cReg(SMBSDA);
151 smb.ctl1 = getI2cReg(SMBCTL1);
152 smb.ctl1 |= SMBCTL1_STOP;
153 setI2cReg(SMBCTL1, smb.ctl1);
154 delay(2);
155 smb.st = getI2cReg(SMBST);
156 if ((smb.st & SMBST_BER) != 0)
157 return -1;
158 if ((smb.st & SMBST_SDAST) != 0 && (smb.st & SMBST_MASTER) != 0)
159 return 0;
160 return 1;
161 }
161 public:
162 AIT2138(void) {
// Check BIOS Support PCI or not
163 if (CheckPCIBios() == 0) {
164 status = -1;
165 return;
166 }
// Find CS5536. After this Step I will get Bus Number, Device Number
// and Function Number
167 if (FindCS5536() != 0) {
168 status = -2;
169 return;
170 }
171 devNo = devFunc >> 3; // Device Number
172 funcNo = devFunc & 07; // Function Number
// Get CS5536 Base address from PCI configuration space
// Configuration register index is 0x10
173 baseAddr = ReadConfigDword(CS5536_BASEADDR_REG);
174 baseAddr = baseAddr & 0Xfffffff0;
175 status = 0;
176 }
/**********************************************
* Get Data From AIT2138
* return 0 : ok
* <0 : fail
* -1 : START fail
* -2 : Sending ADDRESS for write fail
* -3 : Sending pointer of ait2138 fail
* -4 : Repeated START fail
* -5 : Sending Address for read fail
* -6 : Other fault
************************************************/
177 int getData(int regNo) {
178 int i;
179 if (start() != 0) {
180 return -1;
181 }
// Send ADDRESS
182 if (sendData(0x88) != 0) {
183 return -2;
184 }
// initial pointer od ait2138
185 setACK();
186 if (sendData(regNo) != 0) {
187 return -3;
188 }
// Repeated START
189 if (start() != 0) {
190 return -4;
191 }
192 setACK();
193 if (sendData(0x89) != 0) {
194 return -5;
195 }
196 smb.st = getI2cReg(SMBST);
197 if ((smb.st & SMBST_SDAST) != 0 && (smb.st & SMBST_BER) == 0) {
198 smb.sda = getI2cReg(SMBSDA);
199 } else return -1;
200 delay(2);
201 i = stop();
202 return 0;
203 }
/***************************************************
* Set Date To AIT2138
* return : 0 : OK
* <1 : fail
* -1 : START fail
* -2 : Sending Address for write fail
* -3 : Sending pointer of ait2138 fail
* -4 : Sending data fail
***************************************************/
204 int setData(int regNo, char value) {
205 int i, j;
206 if (start() != 0) {
207 return -1;
208 }
// Send ADDRESS
209 if (sendData(0x88) != 0) {
210 return -2;
211 }
// initial pointer od ait2138
//setACK();
212 if (sendData(regNo) != 0) {
213 return -3;
214 }
215 smb.sda = value;
216 setACK();
217 if (sendData(smb.sda) != 0) {
218 return -3;
219 }
220 delay(2);
221 i = stop();
222 return 0;
223 }
224 };
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