НГТУ - Интерфейсы АСОиУ

 







 
 Главная
 Теория
 Практика
 Ссылки
 Гостевая
 Обратная связь

 

 

 

 


 

 




Интерфейс I2C.

Интерфейс последовательной шины I2C (Inter IС Bus - шина соединения микросхем), разработан в конце 80-х  фирмой Philips как простое и дешевое средство сопряжения микросхем бытовой электроники. Сейчас он стал фактическим промышленным стандартом для устройств различного назначения. В настоящее время  действует спецификация  2.1, принятая в 2000г.

Шина I2C очень  удобна для обмена небольшими объемами данных, например, для конфигурации различных устройств. Приложения этого протокола могут быть самыми разнообразными. I2C  используется для иденти­фикации модулей DIMM, информация о которых хранится в маленьких микросхе­мах энергонезависимой памяти. В ряде современных системных плат присутствует шина SMBus, основанная на интерфейсе I2C.  Эта шина используется для  доступа к памяти идентификаторов и средствам термоконтроля процессоров Xeon. Она же входит и в состав сигналов слота CNR (слот подключения расширений аудиокодека и телекоммуникаций) для конфигурирования аудио- и коммуникаци­онного оборудования. По интерфейсу I2C современные мониторы обмениваются конфигурационной и управляющей ин­формацией с графическим адаптером (а через него и с центральным процессором). I2C успешно применяется для подключения  считывателей карт, штрих-кодов и т. п. С по­мощью интерфейса I2C можно загружать программы (firmware) в энергонезависимую память (флэш) ряда популярных микроконтроллеров. Интерфейс I2C обеспечи­вает скорость передачи данных  до 3,4 Мбит/с, при этом он гораздо проще и дешевле интерфейса RS-232C (максимум 115 Кбит/с) и позволяет легко подключать несколько устройств, с поддержкой «горячего» подключения/ отключения и технологии РnР.

Интерфейс  I2C — синхронная последовательная шина, обеспечивающая двустороннюю передачу данных между подключенными устройствами по двум сигнальным линиям. Шина ориентирована на 8-битные передачи. Пере­дача данных может быть как одноадресной, к выбранному устройству, так и широко­вещательной. Для  выборки  устройств  используется  7-битная или  10-битной адре­сация.  Уровни сигналов — стандартные, совместимые с широко распро­страненной логикой ТТЛ, КМОП, n-МОП, как с традиционным питанием +5 В так и с низковольтным (+3,3 В и ниже). Микросхемы с интерфейсом I2C, как пра­вило, имеют аппаратную поддержку протокольных функций. Протокол позволя­ет взаимодействовать на одной шине устройствам с различным быстродействием интерфейса. Требования к временным параметрам сигналов весьма свободные, так что на компьютерах и микроконтроллерах, не имеющих аппаратной поддержки шины I2C, ее протокол может быть реализован даже чисто программно.  В   I2C  определены  три  режима  передачи:    стандартный  Standard Mode (S) — со скоро­стью 0-100 Кбит/с,  быстрый — Fast Mode (F) — со скоростью 0-400 Кбит/с, и высокоскоростной   High speed (Hs)  со скоростью до 3,4 Мбит/с.  Режимы F и S  логически работают одинаково, и для них используют обобщенное обозначение F/S. Интерфейс I2C  использует две сигнальные линии: данных SDA (Serial Data) и синхронизации  SCL (Serial Clock). В обменах участвуют два устройства — ведущее (master) и ведомое (slave). Ведущее и ведомое устройства могут выступать в роли и передатчика, и приемника данных. Протокол допускает наличие на шине не­скольких ведущих устройств и имеет простой механизм арбитража (разрешения коллизий).

Протокол обмена для обычных устройств F/S иллюстрирует рис. 1. Обе сиг­нальные линии имеют нагрузочные резисторы, «подтягивающие» их уровень к напряжению питания. На устройстве к каждой линии подключен приемник и пе­редатчик типа «открытый коллектор» («открытый сток»), у ведомого устройства передатчик на линии SCL не обязателен. Все одноименные передатчики соединя­ются по схеме «Монтажное И»: уровень в линии будет высоким, если все передат­чики пассивны, и низким, если хоть у одного передатчика выходной транзистор открыт. В покое (Idle, исходное состояние шины) все передатчики пассивны. Син­хронизацию задает ведущее устройство, но ведомое, если оно не имеет достаточ­ного быстродействия, может замедлять обмен данными.

Рис. 1. Протокол передачи данных I2C.          

Начало любой передачи — условие Start инициируется ведущим устройством, убедившимся в том, что шина свободна (высокий уровень сигналов SCL и SDA). Условие Start (на диаграммах обозначается как S) — перевод сигнала SDA из высокого в низкий при высоком уровне SCL Завершается  операция переводом  сигнала SDA из низкого уровня в высокий при высоком уровне SCL — условие Stop (обозначается как Р), также вводящееся ведущим устройством. При передаче дан­ных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных считаются действительными во время высокого уровня SCL Ведущее устройство может начать очередную передачу вслед за текущей, не вводя условие  Stop, — это называется repeated Start (повторный старт, обозначающийся Sr). В про­токоле условия S и Sr почти  равнозначны. Каждая посылка данных состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком, после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получена подтверждения. Приемник во время девятого такта формирует бит подтвержде­ния Ack, по которому передатчик убеждается, что передача прошла успешно. После переда­чи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посыл­ку, удерживая линию SCL на низком уровне. Ведомое устройство в режимах F/S может замедлить передачу по шине и на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком. Поэтому ведущее устройство должно генерировать сигнал SCL,  анализируя состояние этой линии: сняв этот сигнал, новый импульс (открытие ключа передатчика) оно имеет право вводить, лишь убедившись, что сигнал SCL вернулся в пас­сивное состояние (высокий уровень). В противном случае синхронизация будет потеряна. Сигнал SCL может быть растянут и другим устройством, пытающимся захватить шину в это же время. Тактовый сигнал SCL не обязательно будет равномер­ным: время его нахождения на низком уровне будет определяться максимальным временем, в котором его захочет удержать самое медленное из устройств, участву­ющих в данном обмене (даже и конфликтующих).

Коллизия (конфликт) на шине может возникнуть, когда два (или более) устрой­ства, убедившись в покое шины, одновременно (или почти одновременно) иници­ируют обмен данными. Все они управляют линиями SCL и SDA и наблюдают за ними. Если устройство, передающее единицу (высокий уровень), в данном такте на линии SDA видит ноль (низкий уровень), оно должно признать свой проигрыш в конфликте и освободить линии SCL и SDA. Выигравшее устройство даже и не заметит проигравших конкурентов и продолжит работу. Иска­жения информации, передаваемой выигравшим устройством, не происходит (в отличие от коллизий, например, в сетях Ethernet). Если ведущее устройство, проиграв­шее в конфликте, имеет и функции ведомого устройства, по признанию проигрыша оно должно перейти в режим ведомого, поскольку конфликт мог быть вызван  по­пыткой обращения к нему победившего ведущего устройства.

Бит подтверждения ACK, вводящийся в конце каждого байта устройством-приемни­ком, выполняет несколько функций. Когда передатчиком является ведущее устрой­ство, приемник (ведомый) должен вводить нулевой бит ACK, свидетельствующий о нормальном получении очередного байта. Единичный бит ACK (нет подтверж­дения) в ответ на посылку адреса свидетельствует об отсутствии адресованного ведомого устройства на шине или его занятости внутренними процессами. Не получив бита подтверждения, ведущее устройство должно сформировать усло­вие Stop, чтобы освободить шину. Когда ведущее устройство является приемником, оно должно формировать нулевой бит ACK после каждого принятого байта, кроме последнего. Единичный бит ACK в этом случае является указанием ведомому   устройству на окончание передачи — оно теперь должно освободить линии SDA и SCL, чтобы ведущее устройство смогло сформировать условие Р или Sr.

На вышеописанной физической основе строится протокол обмена данными по I2C. Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, уникальный на шине. В начале любой передачи ведущее устройство после условия S или Sr посылает адрес ведо­мого устройства или специальный адрес (адрес общего вызова для широковещательной передачи и пр.). Ведомое устройство, опо­знавшее свой адрес после условия Start, становится выбранным; оно обязано отве­тить подтверждением на адрес и последующие сигналы со стороны ведущего устройства, до получения условия Р или Sr. 

При 7-битной адресации в первом байте после S (Sr) ведущее устройство переда­ет 7 бит адреса (А[6:0] в битах [7:1]) и признак операции RW в бите 0 (RW=1 — чте­ние, RW=0 — запись). Диапазоны адресов устройств различных типов централи­зованно выдаются изготовителям устройств фирмой Philips. Для микросхем па­мяти, например, 7-битный адрес содержит две части: старшие 4 бита А[6:3] несут информацию о типе устройства (EEPROM - 1010), а младшие 3 бита А[0:2] определяют номер устройства данного типа на шине. Микросхемы с интерфей­сом I2C имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни 1 и 0 задается номер устройства,  а тип устройства «за­шит» в нем самом его изготовителем.

Когда ведущее устройство является передатчиком данных, оно в первом байте передает адрес ведомого устройства, при этом RW=0. Выбранное ведомое устрой­ство отзывается подтверждением (АСК=0), после чего ведущее устройство посы­лает один или несколько байт данных, на каждый из которых ведомое устройство должно отвечать подтверждением.

Когда ведущее устройство является приемником данных, оно в первом байте пе­редает адрес ведомого устройства с RW=1. Выбранное ведомое устройство также отзывается подтверждением (АСК=0), после чего происходит смена направления передачи и данные уже передает ведомое устройство. Ведущее устройство под­тверждает каждый принятый байт, кроме последнего.

Эти передачи могут завершаться условием Р, вводимым ведущим устройством, после которого шину может захватить любое ведущее устройство. Возможны и комбинированные передачи, когда ведущее устройство после окончания очеред­ного обмена не отдает шину, а формирует повторный старт (Sr), после чего обра­щается к тому же или иному устройству.

Широковещательная передача может использоваться, например, аппаратным кон­троллером клавиатуры, не знающим, на какой адрес посылать свои асинхронно возникающие сообщения. Вместо этого возможна и иная схема: по включении (и сбросу) это устройство становится ведомым приемником, которому ведущее устройство (системный контроллер) сообщит адрес потребителя информации для дальнейших «узконаправленных» передач, в которых это устройство будет уже ведущим.

 

Назад

Содержание

Вперед