Имеется большое число различных синхронных последовательных протоколов. Многие из них широко применяются, и для их реализации доступны необходимые аппаратные средства. Недостаток этих интерфейсов состоит в том, что при подключении нескольких устройств они требуют использования, как минимум, одной дополнительной управляющей линии для выбора активного устройства, которое в настоящий момент должно передавать или получать информацию.
Этот недостаток отсутствует у интерфейса I2C (Inter-Integrated Circuit). Он был первоначально разработан фирмой Philips в конце 1970-х годов специально для того, чтобы обеспечивать такой способ подключения периферийных устройств к микропроцессорам, который не требовал бы использования традиционных шин адреса, данных и управления, а кроме того, позволял бы нескольким микропроцессорам работать с одними и теми же периферийными устройствами (multimastering). Philips запатентовал название интерфейса и до 2007 у различных производителей этот микроконтроллер имел свое название. Например, в микроконтроллерах ATmega, на которых строится Arduino, этот интерфейс носит название 2-wire Serial Interface (двухпроводной последовательный интерфейс).
Интерфейс RS-232 использует асинхронный протокол передачи данных, потому что приемник не получает какого-либо сигнала тактирования в явном виде. На рисунке ниже показаны временные диаграммы сигналов при синхронной передаче данных. Здесь приемник фиксирует данные на линии Data по переднему или заднему фронту синхроимпульсов Clock.
Интерфейс I2C использует всего две линии — они именуются SCL (Serial Clock) и SDA (Serial Data). Первая предназначена для передачи синхроимпульсов (они формируются тем устройством, которое в настоящий момент передает данные), а вторая — для передачи самих данных и команд, управляющих этим процессом. Обе линии имеют открытый коллектор (как и во многих других случаях, когда необходимо, чтобы к одной линии мого подключаться несколько различных устройств), поэтому требуют подключения «подтягивающих» резисторов сопротивлением 1-10 кОм.
Для примера на рисунке ниже показана структурная схема устройства управления стереосистемой.
В обмене информацией по шине I2C всегда принимают участие два устройства — ведущее (master, задатчик) и ведомое. Ведущее устройство вырабатывает синхроимпульсы, а принимать или передавать данные может как задатчик, так и ведомое устройство.
Пока ни одно устройство не начало передачу данных, благодаря подтягивающим резисторам на обоих линиях шины I2C действует напряжение высокого уровня. Если какое-либо устройство собирается начать передачу данных, оно сначала проверяет, свободна ли шина. Ведь в каждый момент времени ведущим на шине может быть только одно устройство. Напряжение высокого уровня на линии SCL показывает, что шина пока свободна.
Перед началом процесса передачи задатчик устанавливает напряжение низкого уровня сначала на линии SDA, а затем на линии SCL (см. рисунок ниже). В процессе передачи данных такое состояние линий невозможно, поскольку сигнал на линии SDA не должен изменяться во время действия тактового импульса на линии SCL.
Затем начинается передача данных от ведущего устройства к ведомому (slave) или наоборот, но в любом случае источником синхроимпульсов является задатчик. Данные фиксируются приемником по заднему фронту синхроимпульсов.
В конце передачи ведущее устройство прекращает генерацию синхроимпульсов; в результате на линии SCL благодаря подтягивающему резистору устанавливается напряжение высокого уровня, после этого отключается передатчик, из-за чего устанавливается высокий уровень на линии SDA — иными словами, повторяется ситуация, обратная той, что наблюдалась перед началом передачи.
В отличие от интерфейса RS-232, передача данных производится начиная со старшего бита; при этом используются обычные логические уровни микросхем ТТЛ/КМОП. После передачи последнего (восьмого) бита каждого байта во время действия очередного синхроимпульса передатчик отключается от линии SDA, чтобы дать возможность приемнику подтвердить получение данных. Для этого приемник должен выставить на линии SDA сигнал низкого уровня. Перед посылкой очередного бита сигнал низкого уровня действует на обеих линиях. Временные диаграммы на рисунке ниже иллюстрируют процесс передачи одного байта данных по интерфейсу I2C.
В некоторых случаях бит подтверждения передается высоким уровнем сигнала, даже если прием прошел успешно. Это показывает, что обмен закончен и передатчик (обычно являющийся либо ведущим устройством, либо задатчиком, который не должен сам начинать операцию обмена) может подготовиться к получению следующего запроса. Этот режим используется, когда микроконтроллер запрашивает данные у какого-либо периферийного устройства. В этом случае микроконтроллер является приемником данных. Если вместо бита подтверждения микроконтроллер выставит сигнал высокого уровня, то ведомое устройство «поймет», что следующую порцию данных пересылать не нужно.
Минимальная скорость передачи по интерфейсу I2C ничем не ограничена. И передатчик, и приемник могут при необходимости замедлять процесс обмена на неопределенное время. Задатчик делает это, удерживая сигнал высокого уровня на линии SCL после приема или передачи предыдущего бита. Ведомое устройство может замедлить работу задатчика, удерживая сигнал на линии SCL на низком уровне после приема или передачи очередного бита (увидев это, задатчик не сможет выставить на линии SCL следующий синхроимпульс).
Cуществуют три максимальные скорости передачи. В так называемом стандартном режиме это 100 Кбит/с (частота синхроимпульсов 100 кГц), в быстром режиме — 400 Кбит/с (частота синхроимпульсов 400 кГц), в высокоскоростном режиме - 3.4 Мбит/с и в ультравысокоскоростном режиме — до 5 Мбит/с. Правда, устройств, работающих на мегабитных скоростях еще нужно поискать. Помимо скоростных ограничений, есть и ограничения на максимальное количество подключенных к шине I2C устройств. В стандартном режиме можно адресовать 127 устройств (7-битный адрес), в быстром режиме до 1023 устройств (10-битный адрес). На рисунке ниже показаны минимальные временные задержки для обоих режимов (все значения указаны в микросекундах).
На рисунке ниже показан формат команд, используемых для управления процессом передачи данных по интерфейсу I2C.
Адрес получателя задается семью битами. Старшие четыре бита адреса определяют тип устройства, а оставшиеся три младших бита указывают, какому именно устройству (из восьми возможных) этого типа предназначена посылаемая информация.
В некоторых случаях требуется чуть усложнять протокол обмена. Например, при чтении информации из памяти EEPROM (или записи данных в память) задатчик должен сначала установить стартовую последовательность, чтобы переслать адрес нужной ячейки памяти, а затем снова выполнить стартовую последовательность, чтобы теперь уже считать данные из памяти (или записать их).
Для того, чтобы ведущими на шине могли быть различные устройства, необходим какой-либо протокол разрешения коллизий (конфликтов). Коллизия возникает, когда два устройства, одновременно проверив состояние шины и, обнаружив, что она пока свободна, начинают передачу данных.
Конфликты разрешаются благодаря тому, что на линии с открытым коллектором подача сигнала высокого уровня реализуется, на самом деле, простым отключением активного устройства (вспомните о «подтягивающих» резисторах). В этом случае, побеждает всегда то устройство, которое выставило сигнал низкого уровня. Тогда втрое устройство, «увидев», что действующий на линии уровень напряжения не совпадает с тем, который оно пытается установить, «понимает», что на шине активен еще один задатчик, и на время отключается, чтобы дать ему возможность беспрепятственно закончить обмен информацией.
Реализация интерфейса I2C с помощью микроконтроллеров весьма проста. Однако, из-за программной его реализации трудно достичь высоких скоростей передачи. Даже максимальная скорость стандартного режима (100 Кбит/с) может оказаться недостижимой.
Программная реализация интерфейса I2C все же является наилучшим решением, если кроме микроконтроллера на шине не может быть других задатчиков. Ведь в этом случае, не требуется синхронизировать его работу с какими-либо быстрыми устройствами, в которых используется аппаратная реализация этого интерфейса.
Полную спецификацию и руководство пользователя для шины I2C можно скачать по ссылке:
Преимущества интерфейса I2C
- необходим всего один микроконтроллер для управления набором устройств;
- используется всего два проводника для подключения многих устройств;
- возможна одновременная работа нескольких ведущих (master) устройств, подключенных к одной шине I2C;
- стандарт предусматривает «горячее» подключение и отключение устройств в процессе работы системы;
- встроенный в микросхемы, реализующие интерфейс фильтр подавляет всплески, обеспечивая целостность данных.
Недостатки интерфейса I2C
- 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.
[add_ratings]
Еще по этой теме
Последовательный интерфейс RS-232
Первый в мире «умный» 6-осевой датчик ИНС от Fairchild
Сенсор LIDAR за 100$
Компьютер прошел тест Тьюринга
Погрешности измерений
Визуальный SLAM в новом пылесосе от iRobot
Основные понятия в электроизмерениях
Корейские ученые построили робота-спринтера
На фестивале «Nano-город» прошла «Битва роботов»
Библиотеки Processing для управления камерой
«ограничение на ёмкость линии — 400 пФ»
ПФ,это пикофарады? а на что это влияет,и можем мы ли увеличить либо уменьшить этот параметр просто поменяв конденсатор?)
Да пФ — это пикофорады. 400 пФ — это требование стандарта на максимальную емкость линии передачи данных. Она зависит, в том числе, и от того, как мы развели дорожки, паразитных емкостей контактов и прочего. Нам нужно стараться при разработке устройств на I2C стараться удовлетворить этому условию.