I2c что это такое кратко

Обновлено: 04.07.2024

Эта статья посвящена шине I2C, которая обычно используется для связи между отдельными интегральными микросхемами, расположенными на одной печатной плате. Два других распространенных протокола, которые также входят в эту основную категорию – это UART (универсальный асинхронный приемник/передатчик) и SPI (последовательный периферийный интерфейс). Вам необходимо знать основные характеристики I2C, прежде чем вы сможете полностью понять сравнение этих трех интерфейсов, поэтому обсудим эту тему в конце статьи.

Много названий, а шина одна

Дополнительная путаница вносится, когда вы замечаете, что SMB или SMBus явно используется в качестве еще одного способа обращения к шине I2C. Фактически эти сокращения относятся к шине управления системой SMB (System Management Bus), которая отличается, хотя и почти идентична, от шины I2C. Оригинальный протокол I2C был разработан компанией Phillips Semiconductor, а спустя годы Intel определил протокол SMBus как расширение I2C. Эти две шины в значительной степени взаимозаменяемы; если вас интересуют незначительные отличия между ними, то смотрите страницу 57 спецификации шины управления системой SMB.

Выглядит, как попытка обсудить что-то важное в комнате, полной людей.

Чтобы оценить ловкие технические приемы, которые делают I2C настолько эффективной, вам нужно подумать о трудностях достижения надежной, но универсальной связи между несколькими независимыми компонентами. Ситуация достаточно проста, если у вас есть одна микросхема, которая всегда является ведущей (master), и одна микросхема, которая всегда является ведомой (slave). Но что, если у вас есть несколько ведомых? Что если ведомые не знают, кто ведущий? Что, если у вас есть несколько ведущих? Что произойдет, если ведущий запросит данные у ведомого устройства, которое по какой-то причине перестало функционировать? Или что, если ведомый перестал функционировать в середине передачи? Что делать, если ведущий утверждает, что шина осуществляет передачу, а затем он выйдет из строя, прежде чем освободить шину?

Возможные проблемы на шине

Дело в том, что в системе связи такого типа есть много вещей, которые могут пойти не так. Вы должны помнить об этом, когда будете изучать I2C, потому что в противном случае этот протокол будет казаться невыносимо сложным и перегруженным. Дело в том, что эта дополнительная сложность – это то, что позволяет I2C обеспечивать гибкую, расширяемую, надежную и низкоуровневую последовательную связь.

Обзор

Прежде чем вдаваться в детали, давайте рассмотрим ключевые характеристики I2C:

I2C против UART и SPI

Преимущества I2C можно резюмировать следующим образом:

требует малое количество выводов/сигналов даже с большим количеством устройств на шине;
адаптируется к потребностям разных ведомых устройств;
легко поддерживает несколько ведущих устройств;
включает в себя функционал ACK/NACK для улучшения обработки ошибок.

А вот некоторые недостатки:

увеличивает сложность программного или низкоуровневого аппаратного обеспечения;
навязывает накладные расходы протокола, что снижает пропускную способность;
требует подтягивающих резисторов, которые
- ограничивают тактовую частоту;
- занимают полезное место на печатной плате в системах, ограниченных по размеру;
- увеличивают рассеиваемую мощность.
Возможно, вам придется сознательно избегать I2C, если пропускная способность является приоритетом; SPI поддерживает более высокие частоты тактового сигнала и минимизирует накладные расходы. Кроме того, разработка низкоуровнего аппаратного обеспечения для SPI (или UART) намного проще, поэтому, если вы работаете с FPGA и разрабатываете свой последовательный интерфейс с нуля, I2C, вероятно, стоит выбирать последним.

Заключение

Мы рассмотрели основные характеристики I2C, и теперь мы достаточно хорошо знаем о преимуществах и недостатках этого протокола, чтобы принять обоснованное решение о том, какую последовательную шину выбрать для какого-то конкретного приложения. В будущих статьях мы рассмотрим протокол и как его реализовать более подробно.

I²C (и-квадрат-це, ай-ту-си, ай-сквэрд-си), Inter-Integrated Circuit - последовательная шина обмена данными между интегральными схемами. Изобретена и в начале 80-х компанией Philips Semiconductor (теперь NXP), передача данных осуществляется по двум проводам в обе стороны. Ведущий и ведомый могут выполнять как роль приёмника, так и передатчика. Для возможности соединения более двух устройств используются адресация. Опрашивать адреса шины может только ведущий. Адрес последовательно выводится на линию SDA сразу после сигнала Start. В этой статье речь пойдёт только о 7-ми битной адресации, так же не будет затронута тема нескольких ведущих. На каждом устройстве, поддерживающем I²C обычно обозначены два вывода: SDA и SCL. SDA (serial data) - означает последовательные данные, SCL (serial clock) - последовательное тактирование. Эти выводы являются выводами открытого коллектора или открытого стока, это означает что ведущий и ведомый могут только притягивать электрический потенциал к земле, поэтому на каждой линии должны быть подтягивающие резисторы. Сопротивление резисторов рассчитывается в зависимости от паразитной ёмкости линии.

Подключение:

Шина поддерживает подключение до 112 устройств (при 7-ми битной адресации) по двум проводам (плюс GND и Vcc), может иметь несколько ведущих и ведомых. При использовании нескольких ведущих, каждый из них должен поддерживать этот режим и уметь определять состояние занятой шины.

I²C на Arduino

Arduino UNO R3/Piranha UNO

На Arduino UNO R3/Piranha UNO шина I2C находится на выводах A4, A5. Также в эти выводы продублированы на колодке с цифровыми выводами рядом с кнопкой Reset.

Piranha ULTRA

На Piranha ULTRA шина I²C не занимает аналоговые выводы A4, A5 и находится на цифровой колодке рядом с кнопкой Reset, выводы обозначены SDA и SCL

Arduino MEGA R3

На Arduino MEGA R3 шина I²C находится на цифровой колодке на крайних выводах, близких к разъёму USB и на выводах 20, 21. Выводы объединены.

Примеры для Arduino

Работа с шиной с использованием встроенной библиотеки Wire Arduino IDE на примере Trema-модуля LED Матрицы 8x8 - i2c

В этом примере на матрицу выводится изображение стрелки. Стоит заметить, ко всем нашим модулям написаны библиотеки с высокоуровневым интерфейсом и вовсе не обязательно работать с матрицей на низком уровне. Подробнее о работе с библиотекой матрицы можно узнать по этой ссылке.

I²C на Raspberry Pi

На Raspberry Pi I²C выводы это 3-й и 5-й выводы колодки, GPIO2 и GPIO3 по номенклатуре BCM и выводы 8, 9 по номенклатуре WiringPi.

Примеры для Raspberry

Работа с шиной с использованием модуля smbus для Python на примере Trema-модуля Матрицы 8x8 - i2c. Для работы с шиной её необходимо включить в настройках Raspberry при помощи утилиты raspi-config . Ссылка на подробное описание как это сделать.

Так же как и в примере с Arduino, в этом примере на матрицу выводится изображение стрелки. Стоит заметить, к Trema-модулю LED Матрица 8x8 - i2c написана библиотека с высокоуровневым интерфейсом и вовсе не обязательно работать с матрицей на низком уровне. Подробнее о работе с библиотекой матрицы можно узнать по этой ссылке

Подробнее о шине I²C:

Резисторы, ёмкость и длина линий шины

В официальном описании от NXP ничего не сказано о максимальной длине шины, но не стоит этим злоупотреблять. Шина была придумана для обмена информации между интегральными схемами в пределах одной платы одного устройства. В расчёт бралась только паразитная ёмкость линии, которая сказывается на скорости нарастания фронта волны. От этой ёмкости зависит номинал подтягивающих резисторов. Можно подобрать резисторы так, чтобы фронт волны нарастал согласно спецификации и при 100-метровой длине проводов, но это не избавляет от помех, которые влечёт за собой несимметричная электрическая реализация. Опять же, при слишком маленьком сопротивлении качество сигнала улучшается, но при этом растёт ток который необходимо пропускать устройствам через выводы для притяжки линий.

При использовании шины на модулях не существует принятого стандарта установки подтягивающих резисторов на ведущем или ведомом. У Arduino подтягивающие резисторы отсутствуют и для работы с шиной нужен хотя бы один модуль с ними. У Raspberry Pi на плате установлены подтягивающие резисторы номиналом 1,7 килоОм и для неё нет необходимости в подтяжке на модулях.

Сигналы и специальные биты шины

В состоянии покоя линии шины находятся на верхнем потенциале (обычно 3,3 В или 5 В, но могут быть и другие напряжения). Бездействие устройства, по умолчанию, воспринимается как логическая 1. Для простоты понимания можно рассмотреть аналогию: Вообразим верхний потенциал как уровень воды, а нижний как дно. Представьте, что Вы на рыбалке - попловок в состоянии покоя остаётся на поверхности, когда клюёт - идёт ко дну. Так же и в здесь, при обмене данными линии прижимаются в нулевому потециалу. Далее рассмотрим поочереди сингалы и специальные биты.

Устанавливаемые только ведущим
- Start - сигнал начала обмена данными. Линия тактирования SCL отпущена (логическая 1), ведущий пижимает линию данных SDA (переход из логической 1 в логический 0). После этого обмен данными происходит побайтово. Первый байт - семь бит адреса ведомого и бит направления (запись или чтение). Последующие байты - данные. после этого сигнала шина считается занятой.
Краткое обозначание сигнала S - заглавная буква S латинского алфавита.
- Бит Read - Если ведущий желает получить данные, он устанавливает логическую 1 сразу после адреса, информируя ведомого о том, что данные будут считываться (управление линией данных передаётся ведомому).
Краткое обозначание R - заглавная буква R латинского алфавита.
- Бит Write - Если ведущий желает записать данные, он устанавливает логический 0 сразу после адреса для информирования ведомого о том что данные будут записываться (управление линией данных остаётся у ведущего).
Краткое обозначение W̅ - заглавная буква W латинского алфавита с чертой сверху.
- Stop - сигнал окончания обмена данными. Ведущий прекращат тактирование, линия тактирования SCL отпущена (логическая 1), линия данных SDA переведена ведущим из логического 0 в логическую 1. После этого сигнала шина считается свободной.
Краткое обозначение P - заглавная буква P латинского алфавита.
- Restart - сигнал продолжения обмена данными (используется взамен сигналу Stop с последующим Start для продолжения опрашивания шины ). Используется в основном при наличии нескольких ведущих на шине, чтобы управление не перешло другому ведущему после сигнала Stop. Линия тактирования SCL отпущена ведущим, линия данных SDA переведена ведущим из логической 1 в логический 0.
Обозначается Sr - заглавная буква S и строчная буква r латинского алфавита.

Устанавливаемые ведущим и ведомым

Данные биты может устанавливат как ведущий, так и ведомый. В такой ситуации устанавливающее устройство или модуль (ведущий или ведомый) называют передатчиком, а считывающее устройство - приёмником.
- Бит ACK - (сокращ. англ. acknowledged - подтверждено) каждый девятый импульс тактирования передатчик (ведущий или ведомый) отпускает линию данных. Если линия была прижата приёмником (логический 0) - принятые данные верны, передача может быть продолжена или закончена.
Обозначается A - заглавная буква A латинского алфавита
- Бит NACK - (сокращ. англ. not acknowledged - не подтверждено) каждый девятый импульс тактирования передатчик (ведущий или ведомый) отпускает линию данных. Если линия была отпущена принимающим или принимающего нет на шине (логическая 1) - принятые данные неверны, произошла ошибка, передача не может быть продолжена. Обозначается A̅ - заглавная буква A латинского алфавита с чертой сверху.
Обмен данными

При обмене данными тактированием занимается только ведущий, а ведомый может удерживать линию тактирования только если не успевает за ведущим, так называемое растягивание тактирования (clock-stretching). Не все модули поддерживают удержание. Установка бита на линии данных может происходит в момент, когда линия тактирования прижата, а считывания, когда линия отпущена (подтянута к Vcc), но в большинстве случаев это происходит по фронту волны на линии тактирования.

Рассмотрим пример простого обмена данными:

Запись в регистры ведомого. Данные взяты из примеров, приведённых выше.

После сигнала Start и указания адреса ведущий записывает адрес регистра с которого будет производиться дальнейшая запись. Стоит заметить, что у ведомого есть внутренний счётчик и каждый последующий байт после подтверждения будет записан в следующий регистр. Таким образом байт со значением 0x00 будет записан в регистр 0x11, байт со значением 0x18 будет записан в регистр 0x12, байт со значением 0x3C будет записан в регистр 0x13 и т. д. В этом примере биты ACK устанавливает ведомый.

Вот так сигналы этого примера выглядят на осциллографе:

Чтение из регистров ведомого. Предположим, мы хотим прочитать байт из регистра 0x13.

Скорость

Первоначальный стандарт I²C был реализован на скорости 100 кГц. С тех пор появились и другие реализации шины, но большинство устройств работают на этой скорости. Так же известны случаи когда скорость шины специально снижена, чтобы увеличить расстояние передачи и уменьшить чувствительность к помехам. Не все модули могут работать на сниженной скорости.

Использование данного стандарта для передачи данных позволяет минимизировать количество соединения между интегральными схемами и, как следствие, уменьшить у них количество необходимых контактов и дорожек. Также интегрированный I2C-протокол устраняет необходимость в дешифраторах адреса и другой внешней логике согласования.

Каждое устройство определяется как ведущее или ведомое, а также обладает уникальным (в пределах шины) адресом. Максимальное допустимое количество элементов, подсоединённых к одной шине, ограничивается максимальной емкостью шины — 400 пФ.
- Ведущее устройство — устройство, которое инициирует передачу данных и генерирует сигналы синхронизации, а также завершает передачу данных; может отправлять данные, либо запрашивать их
- Ведомое устройство — любое адресуемое устройство по отношение к ведущему устройству; может принимать данные или отправлять их по запросу ведущего
- Передатчик — устройство, передающее данные по шине
- Приемник — устройство, принимающее данные с шины.
Отношения ведущий-ведомый и приемник-передатчик не постоянны и зависят лишь от направления передачи данных в текущий момент времени. Обычно стандарт I2C подразумевает наличие в один момент времени только одного ведущего устройства, однако также допускается и наличие нескольких ведущих устройств в шине без нарушения работы системы. В этом случае для предотвращения возникновения ошибок и хаоса применяется процедура арбитража.

Принцип работы

Начало и завершение обмена данными

Обмен данными, как уже было сказано, инициируется ведущим устройством. Оно генерирует тактирующие сигналы на линии SCL, которые имеют определенную периодичность, но могут быть задержаны приемником, если он еще не готов принят следующий байт данных.
В исходном состоянии обе линии SDA и SCL находятся в высоком состоянии.
Процедура обмена данными начинается с формирования ведущим устройством состояния СТАРТ: переход состояния линии SDA с высокого на низкое при высоком состоянии на линии SCL.
Процедура обмена данными заканчивается, когда ведущий формирует состояние СТОП: переход состояния линии SDA с низкого на высокое при высоком состоянии на линии SCL.

Обмен данными

Подтверждение приема данных

Адресация

Из спецификации шины следует, что допускаются не только простые форматы обмена, но и комбинированные, когда в промежутке от состояния СТАРТ до состояния СТОП ведущий и ведомый могут выступать и как приемник и как передатчик данных. Комбинированные форматы могут быть использованы, например, для управления последовательной памятью.

Типичный сеанс обмена данными по шине I2C проиллюстрирован на следующем изображении:

Как узнать I2C адрес устройства?

Узнать адрес устройства можно из его документации или, например, с помощью микроконтроллера методом подбора. При подборе ведущее устройство, например, плата Arduino, пытается связаться с исследуемым устройством, посылая по очереди все возможные варианты адреса. Исследуемое устройство должно откликнуться на один из них, то есть на свой адрес. Как только это происходит, поиск считается законченным, адрес найден. Ниже приведен простейший скетч для определения адреса методом подбора.

I²C (англ. Inter-Integrated Circuit Bus ) – последовательная шина данных для связи интегральных схем, использующая две двунаправленные линии связи (SDA и SCL). Используется для соединения низкоскоростных периферийных компонентов с материнской платой, встраиваемыми системами и мобильными телефонами. Двухпроводной последовательный интерфейс, разработанный корпорацией Philips.

Шина I2C широко используется в бытовой электронике, передаче данных и промышленной электронике. Простая двунаправленная 2-проводная шина для эффективного управления и взаимодействия различных блоков телевизоров, она стала применяться для связи между собой однокристальных микроконтроллеров, ЖКИ-индикаторов, портов ввода-вывода, микросхем памяти (особенно энергонезависимой), аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях, цепях цифровой настройки, DTMF кодеров и декодеров, часов реального времени и т.д

Содержание

История

История шины I²C в том виде, в котором она представлена сейчас, началась в 1992 году, когда фирмой Pilips была выпущена её первая спецификация версии 1.0. Эта спецификация исключила возможность задания адреса slave-устройства программным способом как наиболее сложную процедуру. Наряду со стандартным режимом скорости передачи данных 100 кбит/с (low-speed) был введен режим быстрой передачи со скоростью 400 кбит/с (fast-speed) . Появился также режим 10-разрядной адресации. Версия 2.0, выпущенная в 1998 году, ввела в спецификацию шины быстродействующий режим (HS-mode) со скоростью передачи до 3,4 Мбит/c. Причем требования предписали вводить обязательную возможность совместимости с режимами low-speed и fast-speed. К моменту появления версии 2.0 шина I²C распространилась по всему миру, став международным стандартом. Было разработано более 1000 интегральных схем, лицензия на официальное использование спецификации приобретена более чем 50 фирмами. Версия 2.1, датируемая 2000 годом, включает себя не значительные модификации.

Введение в спецификацию I²C

Обычно для многих приборов выдвигаются следующие критерии:
- полная система обычно состоит, по крайней мере, из одного микроконтроллера и периферийных устройств типа блоков памяти и расширителей ввода - вывода.
- стоимость соединения различных элементов внутри системы должна быть минимальной.
- система, которая выполняет только функции управления, как правило, не требует быстродействующей передачи данных.
- общая эффективность зависит от выбранных элементов и характера межсоединений.
Последовательная структура шины удовлетворяет этим условиям. Хотя последовательные шины не имеют такой производительности как параллельные шины, они требуют меньшего количества проводов и меньшего количества выводов микросхемы.Элементы, общающиеся друг с другом по последовательной шине должны иметь некоторый протокол, который определяет логику функционирования, избегает всех возможностей беспорядка, потерь данных и блокирования информации, при этом быстрые элементы должны быть способны связаться с медленными элементами.

Концепция шины

Все операции по шине I²C осуществляются при помощи двух проводов:
- линия последовательных данных (SDA):
- линия синхронизации (SCL).
Каждый элемент определяется своим уникальным адресом, в который входит группа приборов и номер конкретного прибора. Группа определяет, является ли это микроконтроллером, LCD-индикатором, памятью или чем-то еще. Например, все устройства памяти имеют код 0Ah, таймеры и часы реального времени - 0Dh, устройства телетекста - 02h и т.д. Любой элемент, инициирующий передачу, является мастером, любой адресуемый элемент является подчиненным. В системах с несколькими мастерами, один и тот же элемент может в разное время выступать или как мастер или как подчиненный.

Терминология шины I²C
- Передатчик - элемент, который посылает данные в шину.
- Приемник - элемент, который получает данные из шины.
- Master - элемент, который инициализирует передачу, генерирует сигналы синхронизации, и завершает передачу.
- Slave (подчиненный) - элемент, адресованный мастером
- Multi-master - система с более чем одним мастером.
- Арбитраж - процедура, гарантирующая, что, если больше чем один мастер одновременно пробуют управлять шиной, только один из них получит полное управление шиной и обеспечит передачу данных без ошибок.
- Синхронизация - синхронизация передачи данных между элементами.
I²C является многопрофильным master шины. Это означает, что еще одно устройство, способное контролировать шину можно подключить к нему. Так как в качестве master обычно являются микроконтроллеры, давайте рассмотрим случай передачи данных между двумя микроконтроллерами, подключенных к I²C.

Общие характеристики

SDA и SCL - двунаправленные линии с открытым стоком (коллектором), соединенные с положительным питающим напряжением через резистор (рис.2). Когда шина свободна, обе линии находятся в состоянии “1”. Данные могут передаваться по шине I2 C со скоростью до 100 kbit/s в стандартном режиме, или до 400 kbit/s в быстром режиме. Число интерфейсов, соединенных с шиной исключительно зависит от емкости шины, максимальное значение которой - 400pF.

Принцип работы

I²C использует две двунаправленные линии, подтянутые к напряжению питания и управляемые через открытый коллектор или открытый сток — последовательная линия данных (SDA, англ. Serial DAta) и последовательная линия тактирования (SCL, англ. Serial CLock). Стандартные напряжения +5 В или +3,3 В, однако допускаются и другие.

Классическая адресация включает 7-битное адресное пространство с 16 зарезервированными адресами. Это означает, что разработчикам доступно до 112 свободных адресов для подключения периферии на одну шину.

Основной режим работы — 100 кбит/с; 10 кбит/с в режиме работы с пониженной скоростью. Также немаловажно, что стандарт допускает приостановку тактирования для работы с медленными устройствами.

ПЕРЕДАЧА БИТА

Из-за разнообразия различных технологий (CMOS, NMOS,биполярные приборы) которые могут быть использованы с шиной I²C, уровни логического “0” и “1” не установлены и зависят от величины питающего напряжения VDD. Для передачи одного бита данных используется один импульс сигнала синхронизации, при этом уровень на линии SDA должен быть неизменным в течение высокого уровня на линии SCL, и может изменяться только при низком уровне на SCL. Исключениями служат два особых состояния - START и STOP.

START и STOP

Существуют два особых состояния шины I²C - start и stop, которые служат для индикации начала и конца передачи и соответственно перехода шины в неактивное состояние. Следует отметить, что до тех пор, пока не установлено состояние start, сигналы на линиях SDA и SCL могут быть совершенно произвольными . Это позволяет, в частности, использовать одну линию SDA и несколько линий SLC (например, при нехватке, адресов на одной шине). Состояние START - переход от “1” к “0” на линии SDA при “1” на линии SCL. Состояние STOP - переход от “0” к “1” на линии SDA при “1” на линии SCL. Эти два состояния всегда генерируются мастером. Детектирование состояний start и stop в специализированных элементах обычно производится аппаратно. При полностью программной реализации шины I²C в микроконтроллерах без аппаратной I²C-части необходимо как минимум 2 раза проверять состояние линии SDA.

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

СИНРОНИЗАЦИЯ

Каждое мастер-устройство генерирует собственные сигналы синхронизации на линии SCL. Данные на линии SDA действительны только течение ВЫСОКОГО уровня SCL. Синхронизация осуществляется благодаря “монтажному-И” на линии SCL. Это означает, что состояние “0” на линии SCL будет длиться до тех пор, пока все мастер-устройства не освободят линию синхронизации. Линия SCL будет, следовательно, задержана в уровне “0” элементом с самым длинным уровнем “0”. Элементы с более коротким уровнем “0” при этом входят в состояние ожидания.

Мастер может начинать передачу только, если шина свободна. Два или больше мастера могут генерировать состояние START практически одновременно, поэтому необходим арбитраж между ними, для того чтобы выяснить, кто же их них все-таки был первым. Для этого используется линия SDA - благодаря тому, что она, как и SCL выполнена по схеме “монтажное-И”.

ЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Данные шлются пакетами, каждый пакет состоит из девяти бит. 8 данных и 1 бит подтверждения/не подтверждения приема. Первый пакет шлется от ведущего к ведомому это физический адрес устройства и бит направления.

Сам адрес состоит из семи бит (вот почему до 127 устройств на шине), а восьмой бит означает что будет делать Slave на следующем байте — принимать или передавать данные. Девятым битом идет бит подтверждения ACK. Если Slave услышал свой адрес и считал полностью, то на девятом такте он придавит линию SDA в 0, сгенерировав ACK — то есть Понял! Мастер, заметя это, понимает, что все идет по плану и можно продолжать. Если Slave не обнаружился, прозевал адрес, неправильно принял байт, сгорел или еще что с ним случилось, то, соответственно, SDA на девятом такте будет прижать некому и ACK не получится. Будет NACK.

После адресного пакета идут пакеты с данными в ту или другую сторону, в зависимости от бита RW в заголовочном пакете. Вот, например, Запись. В квадратиках идут номера битов. W=0

Чтение практически также, но есть одна тонкость. При приеме последнего байта надо дать ведомому понять, что в его услугах больше не нуждаемся и отослать NACK на последнем байте. Если отослать ACK то после стопа Master не отпустит линию — такой уж там конечный автомат. Так что прием двух байтов будет выглядеть так (R=1):

Есть еще одно состояние, как повторный старт. Это когда мы не объявляя STOP вкатываем на шину еще один START. После него мы можем обратиться к другому устройству не освобождая шину. Но чаще идет обращение к тому же самому устройству и это связано с особенностями организации памяти.

Применение

I²C находит применение в устройствах, предусматривающих простоту разработки и низкую себестоимость изготовления при относительно неплохой скорости работы.

Список возможных применений:
- доступ к модулям памяти NVRAM;
- доступ к низкоскоростным ЦАП/АЦП;
- регулировка контрастности, насыщенности и цветового баланса мониторов;
- регулировка звука в динамиках;
- управление светодиодами, в том числе в мобильных телефонах;
- чтение информации с датчиков мониторинга и диагностики оборудования, например, термостат центрального процессора или скорость вращения вентилятора охлаждения;
- чтение информации с часов реального времени (кварцевых генераторов);
- управление включением/выключением питания системных компонент;
- информационный обмен между микроконтроллерами;
Пример системы с шиной I²C На рисунке: (a) Высокоинтегрированный телевизор
1. Микроконтроллер
2. ФАПЧ-синтезатор
3. Флеш-память
4. Мультисистемный декодер сигналов цветности
5. Стереодекодер звука
6. Улучшитель сигнала картинки
7. Hi-Fi аудиопроцессор
8. Аналоговый видеопроцессор
9. Декодер телетекста
10. ИМС сигналов OSD
(b) базовая станция радиотелефона стандарта DECT
1. Генератор DTMF
2. Интерфейс телефонной линии
3. Кодек АДИКМ
4. Пакетный контроллер
5. Микроконтроллер
Преимущества

Недостатки
- ограничение на ёмкость линии — 400 пФ;
- несмотря на простоту протокола, программирование контроллера I²C затруднено из-за изобилия возможных нештатных ситуаций на шине. По этой причине большинство систем используют I²C c единственным ведущим (Master) устройством, и распространённые *драйверы поддерживают только монопольный режим обмена по I²C;
- Трудность локализации неисправности, если одно из подключенных устройств ошибочно устанавливает на шине состояние низкого уровня.
Преимущества для конструкторов
- поскольку такие микросхемы подключаются непосредственно к шине без каких-либо дополнительных цепей, появляется возможность модификации и модернизации системы прототипа путём подключения и отключения устройств от шины.
- блоки на функциональной схеме соответствуют микросхемам, переход от функциональной схемы к принципиальной происходит быстро.
- нет нужды разрабатывать шинные интерфейсы, так как шина уже интегрирована в микросхемы.
- интегрированные адресация устройств и протокол передачи данных позволяют системе быть полностью программно определяемой.
- одни и те же типы микросхем могут быть часто использованы в разных приложениях.
- время разработки снижается, так как конструкторы быстро знакомятся с часто используемыми функциональными блоками и соответствующими микросхемами.
- микросхемы могут быть добавлены или убраны из системы без оказания влияния на другие микросхемы, подключенные к шине (если их работа независима).
- простая диагностика сбоев и отладка; нарушения в работе могут быть немедленно отслежены.
- время разработки программного обеспечения может быть снижено за счет использования библиотеки повторно используемых программных модулей.
Разработка

Каждая электронная система включает в себя 3 различных типа узлов:
- Узел управления
- Узлы общего назначения, такие, как буферы ЖКИ, порты ввода-вывода, ОЗУ, ЭСПЗУ или преобразователи данных.
- Специфические узлы, такие, как схемы цифровой настройки и обработки сигнала для радио- и видеосистем, или генераторы тонального набора для телефонии.
В настоящее время ассортимент продукции Philips включает более 150 КМОП и биполярных I²C-совместимых устройств, функционально предназначенных для работы во всех трёх вышеперечисленных категориях электронного оборудования. Все I²C-совместимые устройства имеют встроенный интерфейс, который позволяет им связываться друг с другом по шине I²C. Это конструкторское решение разрешает множество проблем сопряжения различных устройств, которые обычно возникают при разработке цифровых систем.

На дешевых устройствах часто I²C эмулируется программно с использованием технологии Bit-banging.

Поддержка операционными системами
- В Linux поддержка I²C обеспечивается специальным модулем для каждого устройства, совместимого с этим стандартом. Файл заголовков для написания клиента I²C — /usr/include/linux/i2c.h. В OpenBSD также добавлена поддержка основных микроконтроллеров и сенсоров I²C;
- В Sinclair QDOS и Minerva QL поддержка осуществляется через набор расширений фирмы TF Services;
- В AmigaOS доступ к устройствам I²C осуществляется с помощью библиотеки i2c.library, написанной Вильгельмом Нойкером;
- eCos поддерживает I²C для нескольких архитектур.
- Материнские платы EPIA-M поддерживают I²C на уровне форм-фактора Mini-ITX.
Производные технологии

I²C является основой ACCESS.bus, дисплейного интерфейсного канала данных (DDC) VESA, шины управления системными функциями SMBus. В этих технологиях возможно использование различных напряжений, частоты обмена и наличия отдельных линий прерываний.

Шина IPMB, основанная на использовании двух I²C с целью резервирования и являющаяся основой интерфейса IPMI, применяется в высоконадёжных системах стандартов AdvancedTCA и MicroTCA.

TWI (Two Wire Interface) или TWSI (Two Wire Serial Interface), по сути, та же самая шина I²C, но использует другое название по лицензионным причинам (патенты на I²C уже отменены, 1 октября 2006 года отменены лицензионные отчисления за использование протокола I²C. Однако отчисления сохраняются для выделения эксклюзивного подчинённого адреса на шине I²C.)

Интерфейс I2C является широко распространенным и популярным стандартом передачи данных между устройствами. Данный интерфейс поддерживают множество различных датчиков и микросхем, наиболее известные это микросхемы EEPROM памяти серии 24cXX. Для передачи данных используются всего две линии, которые представляют собой шину данных, причем на одну шину можно подключать несколько различных устройств. В этой статье я приведу описание интерфейса и реализацию на программном уровне.

Описание интерфейса I2C

Способ подключения

В интерфейсе используются два провода, это линия тактирования SCL, и линия передачи данных SDA, которые вместе образуют шину данных. Устройства, подключенные к шине подразделяются на ведущего и ведомого. Ведущий инициализирует процесс передачи данных и выдает тактовые импульсы на линию SCL, ведомый принимает команды /данные, а также выдает данные по запросу ведущего. Линии SDA и SCL двунаправленные, устройства подключаемые к шине должны иметь выводы перенастраиваемые на вход и выход . Причем тип выхода должен быть с открытым коллектором или открытым стоком, в связи с чем, обе линии SDA и SCL через резисторы подтягиваются к положительному полюсу источника питания. На следующей картинке приведена схема подключения интерфейса I2C:

В случае использования микроконтроллера, для установки лог. 1 на линии, достаточно перенастроить порт микроконтроллера на вход, при этом резистор “подтянет” линию к высокому логическому уровню, подача высокого логического уровня с порта микроконтроллера на линию не допускается. Для установки лог. 0 на линии, порт перенастраивается на выход, в выходную защелку заранее записывается значение 0, при этом линия “прижимается” к низкому логическому уровню.

Адресация

В интерфейсе предусмотрена программная адресация устройств подключенных к шине, наиболее распространена длина адреса в 7 бит, теоретически это позволяет подключать на шину до 127 устройств, но часть адресов по спецификации зарезервированы и не могут использоваться разработчиками. Каждое устройство имеет свой уникальный адрес, который заложен производителем и указан в технической документации. Адрес устройства может быть фиксированным, или с возможностью аппаратной настройки, в этом случае устройство имеет дополнительные входы, в зависимости от уровня напряжения на входах (высокое или низкое), можно получить различные адреса. Обычно количество входов варьируется от 1-го до 3-х, которые задают значения определенных битов 7-битного адреса. Аппаратная настройка адреса предусмотрена для возможности подключения нескольких однотипных устройств на одну шину.

Также интерфейс предусматривает более редкую 10-битную адресацию, под которую зарезервирован 7-битный адрес 11110XX (XX-зависят от значения адреса), в этом случае сначала предается зарезервированный адрес, в котором два последних бита представляют собой старшие биты 10-битного адреса, затем передаются младшие 8 бит адреса. При использовании данной адресации на шину можно подключать более 1000 устройств.

Условия “Старт” и “Стоп”

Каждый сеанс передачи данных начинается со специального условия, называемого “Старт”. В исходном состоянии, когда шина свободна, обе линии SDA и SCL подтянуты к высокому логическому уровню, условие “Старт” подразумевает переключение линии SDA с высокого логического уровня на низкий, в то время когда на линии SCL установлен высокий уровень.

Аналогично, сеанс передачи данных завершается специальным условием “Стоп”, это переключение линии SDA с низкого логического уровня на высокий, при высоком уровне на линии SCL. Данные условия генерирует ведущий (микроконтроллер).

Исходя из условий “Старт” и “Стоп”, во время передачи данных линия SDA может переключаться только при низком уровне на линии SCL, то есть установка новых данных на линии SDA возможна только после спада уровня на SCL. В течение импульса тактирования (высокий уровень на SCL), состояние линии SDA не должно меняться, в это время выполняется считывание данных на SDA.

Формат передачи данных

Ведомый сравнивает переданный адрес со своим и при совпадении откликается, устанавливая низкий уровень на линии SDA (бит подтверждения). Ведущий, получив подтверждение, начинает передавать байты с данными, или принимает их, в зависимости от направления передачи. На следующей картинке более подробно представлены различные варианты передачи данных по шине I2C:

После передачи адреса ведомого, передается адрес регистра, над которым будут производиться операции чтения/записи. Каждое устройство обладает своим набором внутренних регистров, назначение которых указано в технической документации.

Запись одного байта состоит из следующей последовательности: условие “Старт” – адрес ведомого (бит R/W сброшен) – адрес внутреннего регистра ведомого – данные (1 байт) – условие “Стоп”. Запись нескольких байтов практически ничем не отличается, после отправки первого байта данных, передаются остальные байты, сеанс заканчивается условием “Стоп”. При этом данные записываются в регистры последовательно, начиная с заданного адреса, обычно ведомый выполняет автоматический инкремент адреса внутренних регистров.

Для чтения одного байта данных, необходимо сначала передать адрес ведомого и адрес требуемого регистра, при этом бит направления должен быть сброшен на запись, после чего повторно передается условие “Старт”, затем снова адрес ведомого, в этот раз с установленным битом направления на чтение. Далее выполняется прием байта данных от ведомого, для окончания сеанса передачи ведущий не выдает подтверждения, то есть на линии SDA остается высокий уровень на время бита подтверждения, далее следует условие “Стоп”. Чтение нескольких байтов выглядит аналогично, ведущий выдает подтверждение после каждого принятого байта, за исключением последнего байта. Как и в случае записи, ведомый выполняет автоматический инкремент адреса, начиная с заданного.

Во время сеанса передачи данных ведомый может принудительно удерживать на линии SCL низкий уровень, например, если ему требуется время на обработку данных. Ведущий “отпуская” линию SCL должен проверить переход от низкого логического уровня к высокому, если этого не произошло, то необходимо ожидать перехода. Таким образом, ведущий не имеет абсолютного права на управление линией SCL.

Интерфейс также предусматривает режим конкуренции, когда на шине присутствуют несколько ведущих, я не стану рассматривать этот режим, так как он редко применяется. Для предотвращения конфликтов в таких случаях используется функция арбитража и синхронизации линии тактирования SCL.

Скорость передачи данных

По спецификации интерфейс поддерживает три скоростных режима передачи:
1. Самый распространенный до 100 Кбит/сек, частота тактирования линии SCL до 100 кГц, длительность высокого и низкого уровней не менее 5 мкс.
2. Скоростной режим до 400 Кбит/сек, частота тактирования до 400 кГц.
3. Высокоскоростной режим до 3,4 Мбит/сек, частота тактирования до 3,4 МГц.
Стандартный режим до 100 Кбит/сек поддерживают все устройства, возможность функционирования на больших скоростях необходимо уточнять в технической документации на устройство.

Программная реализация интерфейса I2C

Не у всех микроконтроллеров серии PIC16 имеется встроенный аппаратный модуль I2C, но интерфейс можно реализовать программно и использовать на любом микроконтроллере. Ниже представлен код реализующий функции ведущего применительно к микроконтроллеру PIC16F628A:

Читайте также: