Последовательные шины на базе i2c Введение.

В бытовой технике, телекоммуникационном оборудовании и промышленной электронике часто встречаются похожие решения, в, казалось бы, никак не связанных изделиях. Например, практически каждая система включает в себя:

Некоторый “умный” узел управления, обычно однокристалльная микроЭВМ.

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 видео- систем, или генераторы тонального набора для телефонии.

Для того, чтобы использовать эти общие решения к выгоде конструкторов и производителей (технологов), а также для увеличения эффективности аппаратуры и упрощения схемотехнических решений, Philips разработала простую двунаправленную двухпроводную шину для эффективного “межмикросхемного” (inter-IC) управления. Шина так и называется - InterIC, или IIC (I²C) шина. В настоящее время ассортимент продукции Philips включает более 150 КМОП и биполярных I²C-совместимых устройств, функционально предназначенных работы во всех трех 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.

Общие положения и введение в логику работы шины i2c

Отличительные особенности

Двунаправленный обмен по двум линиям

Высокая скорость обмена - до 100 кбит и выше

Возможность адресации до 128 устройств

Простота программной реализации "Master"-абонента

Временная независимость процесса передачи

.

Разработанная фирмой Philips шина I²C ("Inter-Integrated Circuit"), - это двунаправленная асинхронная шина с последовательной передачей данных и возможностью адресации до 128 устройств. Физически шина I²C содержит две сигнальные линии, одна из которых (SCL) предназначена для передачи тактового сигнала, вторая (SDA) для обмена данными. Для управления линиями применяются выходные каскады с открытым коллектором, поэтому линии шины должны быть подтянуты к источнику питания +5 В через резисторы сопротивлением 1...10 кОм, в зависимости от физической длины линий и скорости передачи данных. Длина соединительных линий в стандартном режиме может достигать 2-х метров, скорость передачи - до 100 кбит/с. Суммарная емкость линий должна быть не больше 400 пФ, входная емкость на каждую ИС должна быть в пределах 5...10 пФ.

Все абоненты шины делятся на два класса - "Master" и "Slave". Устройство "Master" генерирует тактовый сигнал (SCL) и, как следствие, является ведущим. Оно может самостоятельно выходить на шину и адресовать любое "Slave" - устройство с целью передачи или приема информации. Все "Slave"-устройства "слушают" шину на предмет обнпружения собственного адреса и, распознав его, выполняют предписываемую операцию. Кроме того, возможен так называемый "Multi Master" - режим когда на шине установлено несколько "Master"-абонентов, которые либо совместно разделяют общие "Slave"-устройства, либо попеременно являются то "Master"-устройствами, когда сами инициируют обмен информацией, то "Slave", когда находятся в режиме ожидания обращения от другого "Master"-устройства. Режим "Multi Master" требует арбитража и распознавания конфликтов. Естественно, он сложнее в реализации (имеется ввиду программная реализаци) и, как следствие, реже используется в реальных изделиях.

В начальный момент времени - в режиме ожидания - обе линии SCL и SDA находятся в состоянии логической единицы (транзистор выходного каскада с ОК закрыт). В режиме передачи бит данных SDA стробируется положительным импульсом SCL. Смена информации на линии SDA производится при нулевом состоянии линии SCL. "Slave"-устройство может "придерживать" линию SCL в нулевом состоянии, например, на время обработки очередного принятого байта, при этом "Master"-устройство обязано дождаться освобождения линии SCL, прежде чем продолжить передачу информации.

Для приложений 8-битного управления, использующих микроконтроллеры, могут быть установлены определенные конструкторские критерии:

Полная система обычно состоит из по крайней мере одного микроконтроллера и других периферийных устройств, таких как память и порты ввода/вывода.

Стоимость соединения различных устройств в системе должна быть минимизирована.

Система, осуществляющая функции управления, не требует высокоскоростной передачи данных.

Общая эффективность зависит от выбранных устройств и природы соединяющей шины.

Для того, чтобы разработать систему, удовлетворяющую этим критериям, необходима последовательная шина. Хотя последовательные шины не имеют пропускной способности параллельных шин, они требуют меньше соединений и меньше контактов микросхем. Однако, шина состоит не только из соединяющих проводов, она также включает в себя все форматы и процедуры для связи внутри системы.

Устройства, связывающиеся по шине, должны обладать неким протоколом, который упреждает все возможности столкновений, потери данных и блокирования информации. Быстрые устройства должны быть в состоянии связаться с медленными устройствами. Система не должна быть зависима от устройств, подключенных к ней, иначе модификации и улучшения станут невозможными. Также должна быть разработана процедура, устанавливающая, какое устройство управляет шиной и когда. Кроме того, если различные устройства с разными тактовыми частотами подключены к шине, должен быть определен источник синхронизации шины. Всем этим критериям удовлетворяет шина I²C.