Протокол передачи данных по шине I2C

В процессе передачи данных, уровень на линии SDA должен быть стабильным пока SCL равен единице, и может меняться, когда SCL равен нулю.

Перед началом передачи сигналы SDA и SCL равны «1». Сначала SDA меняется на «0» - это означает условие «Старт», затем начинает тактироваться сигнал SCL. Условие «повторный Старт» функционально похож на «Старт». Для условия «Стоп» необходимо чтобы SCL = «1», а SDA поднималось из «0» в «1».

Каждая посылка данных состоит из 8 бит данных, формируемых передатчиком (старший бит — MSB — передается первым), после чего передатчик на один такт освобождает линию данных для получения подтверждения. Приемник во время девятого такта формирует бит подтвержде­ния (Ac k), по которому передатчик убеждается, что его «услышали». После переда­чи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посыл­ку, удерживая линию SCL на низком уровне.

Бит подтверждения определяется следующим образом: передатчик, после передачи 8 бит, освобождает на 1 такт линию, на ней «0». Если приёмник не выставил в данном бите «1», значит всё хорошо, иначе либо данные не приняты либо master-приёмник объявляет о конце передачи.

Различные операции на шине рассмотрены более подробно ниже.

Стандарт I2C определяет следующий формат посылки:

· Start (Старт) – указывает, что управление шиной передано устройству и будет передано сообщение

· Address (Адрес) – 7-ми или 10-ти разрядный номер, соответствующий адресу устройства, с которого будут считываться данные или на которое будут записываться данные

· R/W Bit (Бит чтения/записи) – один бит, указывающий, что данные будут считываться с одного устройства или записываться в другое устройство

· Ack (Подтверждение) – один бит с ведомого устройства с подтверждением действия ведущего устройства. Как правило, подтверждение требуется для каждого адреса и байта данных, но не всегда

· Data (Данные) – целое число байт, считываемых или записываемых устройством

· Stop (Стоп) – указывает на завершение сообщения, ведущее устройство освобождает шину

Состояние СТАРТ и СТОП

Процедура обмена начинается с того, что ведущий формирует состояние СТАРТ - ведущий генерирует переход сигнала линии SDA из ВЫСОКОГО состояния в НИЗКОЕ при ВЫСОКОМ уровне на линии SCL. Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к шине как признак начала процедуры обмена.

Рисунок 6. Временная диаграмма состояний СТАРТ и СТОП

Генерация синхросигнала - это всегда обязанность ведущего; каждый ведущий генерирует свой собственный сигнал синхронизации при пересылке данных по шине.

Процедура обмена завершается тем, что ведущий формирует состояние СТОП - переход состояния линии SDA из низкого состояния в ВЫСОКОЕ при ВЫСОКОМ состоянии линии SCL.

Состояния СТАРТ и СТОП всегда вырабатываются ведущим. Считается, что шина занята после фиксации состояния СТАРТ. Шина считается освободившейся через некоторое время после фиксации состояния СТОП.

Рисунок 7. Временная диаграмма перехода между посылками

При передаче посылок по шине I2C каждый ведущий генерирует свой синхросигнал на линии SCL.

После формирования состояния СТАРТ, ведущий опускает состояние линии SCL в НИЗКОЕ состояние и выставляет на линию SDA старший бит первого байта сообщения. Количество байт в сообщении не ограничено.

Спецификация шины I2C разрешает изменения на линии SDA только при НИЗКОМ уровне сигнала на линии SCL.

Данные действительны и должны оставаться стабильными только во время ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса.

Для подтверждения приема байта от ведущего - передатчика ведомым - приемником в спецификации протокола обмена по шине I2C вводится специальный бит подтверждения, выставляемый на шину SDA после приема 8 бита данных.

Подтверждение

Таким образом передача 8 бит данных от передатчика к приемнику завершаются дополнительным циклом (формированием 9-го тактового импульса линии SCL), при котором приемник выставляет низкий уровень сигнала на линии SDA, как признак успешного приема байта.

Рисунок 8. Временная диаграмма подтверждения приёма

Подтверждение при передаче данных обязательно. Соответствующий импульс синхронизации генерируется ведущим. Передатчик отпускает (ВЫСОКОЕ) линию SDA на время синхроимпульса подтверждения. Приёмник должен удерживать линию SDA в течение ВЫСОКОГО состояния синхроимпульса подтверждения в стабильном НИЗКОМ состоянии.

В том случае, когда ведомый-приёмник не может подтвердить свой адрес (например, когда он выполняет в данный момент какие-либо функции реального времени), линия данных должна быть оставлена в ВЫСОКОМ состоянии. После этого ведущий может выдать сигнал СТОП для прерывания пересылки данных.

Если в пересылке участвует ведущий-приёмник, то он должен сообщить об окончании передачи ведомому-передатчику путем не подтверждения последнего байта. Ведомый-передатчик должен освободить линию данных для того, чтобы позволить ведущему выдать сигнал СТОП или повторить сигнал СТАРТ.

Синхронизация выполняется с использованием подключения к линии SCL по правилу монтажного И.

Это означает, что ведущий не имеет монопольного права на управление переходом линии SCL из НИЗКОГО состояния ВЫСОКОГО. В том случае, когда ведомому необходимо дополнительное время на обработку принятого бита, он имеет возможность удерживать линию SCL в низком состоянии до момента готовности к приему следующиго бита. Таким образом, линия SCL будет находиться в НИЗКОМ состоянии на протяжении самого длинного НИЗКОГО периода синхросигналов.

Устройства с более коротким НИЗКИМ периодом будут входить в состояние ожидания на время, пока не кончится длинный период. Когда у всех задействованных устройств кончится НИЗКИЙ период синхросигнала, линия SCL перейдет в ВЫСОКОЕ состояние. Все устройства начнут проходить ВЫСОКИЙ период своих синхросигналов. Первое устройство, у которого кончится этот период, снова установит линию SCL в НИЗКОЕ состояние. Таким образом, НИЗКИЙ период синхролинии SCL определяется наидлиннейшим периодом синхронизации из всех задействованных устройств, а ВЫСОКИЙ период определяется самым коротким периодом синхронизации устройств.

Механизм синхронизации может быть использован приемниками как средство управления пересылкой данных на байтовом и битовом уровнях.

На уровне байта, если устройство может принимать байты данных с большой скоростью, но требует определенное время для сохранения принятого байта или подготовки к приему следующего, то оно может удерживать линию SCL в НИЗКОМ состоянии после приема и подтверждения байта, переводя таким образом передатчик в состояние ожидания.

На уровне битов, устройство такое как микроконтроллер без встроенных аппаратных цепей I2C или с ограниченными цепями может замедлить частоту синхроимпульсов путем продления их НИЗКОГО периода. Таким образом скорость передачи любого ведущего адаптируется к скорости медленного устройства.

 

Адресация в шине I2C

Каждое устройство, подключённое к шине, может быть программно адресовано по уникальному адресу.

Для выбора приемника сообщения ведущий использует уникальный адресную компоненту в формате посылки. При использовании однотипных устройств, ИС часто имеют дополнительный селектор адреса, который может быть реализован как в виде дополнительных цифровых входов селектора адреса, так и в виде аналогового входа. При этом адреса таких однотипных устройств оказываются разнесены в адресном пространстве устройств, подключенных к шине.

В обычном режиме используется 7-битная адресация.

Рисунок 9. Структура пакета с 7-битным адресом Slave

Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала СТАРТ определяет, какой ведомый адресуется ведущим для проведения цикла обмена. Исключение составляет адрес "Общего вызова", который адресует все устройства на шине. Когда используется этот адрес, все устройства в теории должны послать сигнал подтверждения. Однако, устройства могут обрабатывать "общий вызов" на практике встречаются редко.

Первые семь битов первого байта образуют адрес ведомого. Восьмой, младший бит, определяет направление пересылки данных. "Ноль" означает, что ведущий будет записывать информацию в выбранного ведомого. "Единица" означает, что ведущий будет считывать информацию из ведомого.

После того, как адрес послан, каждое устройство в системе сравнивает первые семь бит после сигнала СТАРТ со своим адресом. При совпадении устройство полагает себя выбранным как ведомый-приёмник или как ведомый-передатчик, в зависимости от бита направления.

Адрес ведомого может состоять из фиксированной и программируемой части.

Часто случается, что в системе будет несколько однотипных устройств (к примеру ИМС памяти, или драйверов LED-индикаторов), поэтому при помощи программируемой части адреса становится возможным подключить к шине максимально возможное количество таких устройств. Количество программируемых бит в адресе зависит от количества свободных выводов микросхемы. Иногда используется один вывод с аналоговой установкой программируемого диапазона адресов, как это, к примеру, реализовано в ИМС SAA1064. При этом в зависимости от потенциала на этом адресном выводе ИМС, возможно смещение адресного пространства драйвера так, чтобы однотипные ИМС не конфликтовали между собой на общей шине.

Все ИМС, поддерживающие работу в стандарте шины I2C, имеют набор фиксированых адресов, перечень которых указан производителем в описаниях контроллеров.

Комбинация бит 11110ХХ адреса зарезервирована для 10-битной адресации.

Рисунок 10. Структура пакета с 10-битным адресом Slave

В общем виде процесс обмена по шине от момента формирования состояния СТАРТ до состояния СТОП можно проиллюстрировать следующим рисунком:

Рисунок 11. Временная диаграмма обмена данными по шине I2C

Как следует из спецификации шины, допускаются как простые форматы обмена, так 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.
Во время первого байта данных можно передавать адрес в памяти, который записывается во внутренний регистр-защелку. После повторения сигнала СТАРТа и адреса ведомого выдаются данные из памяти. Все решения об авто-инкременте или декременте адреса, к которому произошел предыдущий доступ, принимаются конструктором конкретного устройства. Поэтому, в любом случае лучший способ избежать неконтролируемой ситуации на шине перед использованием новой (или ранее не используемой) ИМС следует тщательно изучить ее описание (datasheet), получив его с сайта производителя. Более того, производители часто размещают рядом более подробные инструкции по применению.

В любом случае, по спецификации шины все разрабатываемые устройства должны сбрасывать логику шины при получении сигнала СТАРТ или повторный СТАРТ и подготавливаться к приему адреса.

Тем не менее основные проблемы с использованием I2C шины возникают именно из-за того, что разработчики, "начинающие" работать с I2C шиной не учитывают того факта, что ведущий (часто - микропроцессор) не имеет монопольного права ни на одну из линий шины.

0000 000	0	General call address — адрес общего вызова
0000 000	1	Start — начало активного обмена
0000 001	X	Адрес устройства шины CBUS (для совместимости)
0000 010	X	Адрес для устройств иных шин
0000 011	X	Зарезервировано
0000 1ХХ	X	Код ведущего устройства режима Hs
1111 1ХХ	X	Зарезервировано
1111 ОХХ	X	Признак 10-битной адресации

Таблица 1. Специальные адреса I2C

Режим Multi-Master

Протокол передачи данных I²C позволяет иметь более одного «Master» на шине. Для разрешения конфликтов на шине при инициализации передачи используются функции арбитража и синхронизации.

Арбитраж

Арбитраж выполняется на линии SDA при высоком уровне линии SCL. Устройство, которое формирует на линии SDA высокий уровень когда другое передает низкий, теряет право брать «Master» и должно перейти в режим «Slave». «Master», потерявший инициативу на шине, может формировать тактовые импульсы до конца байта, в котором потерял свойства ведущего.

Рисунок 12. Временная диаграмма арбитража в шине I2C

Синхронизация

Синхронизация на шине происходит после выполнения арбитража по отношению к сигналу SCL. При переходе сигнала SCL с высокого уровня в низкий, все заинтересованные устройства начинают отсчитывать длительность низкого уровня. Затем устройства начинают переводить уровень SCL из низкого в высокий согласно требуемой скорости передачи данных. После перехода уровня из низкого в высокое состояние, заинтересованные устройства отсчитывают длительность высокого уровня. Первое устройство, которое переведет сигнал SCL в низкий уровень, определяет параметры тактового сигнала.

Рисунок 13. Временная диаграмма синхронизации

Битная передача

Передача данных ведущим устройством с 10-битной адресацией выглядит просто: в первом байте после S (S г) биты 2:1 несут старшие биты адреса, бит 0 — признак RW=0; второй байт несет младшие 8 бит адреса, а последующие байты — передаваемые данные. Приемник дает подтверждения обычным способом. Прием по 10-битному адресу ведущее устройство начинает как фиктив­ную передачу: в первом байте посылает признак 10-битной записи и 2 бита адреса, во втором байте — остаток адреса. Далее ведущее устройство выполняет условие Sr и посылает признак 10-битного чтения (RW=1) с двумя старшими битами того же адреса. Ведомый передатчик, получив те же 2 старшие бита адреса, что и до 5г, отвечает подтверждением и начинает передавать данные ведущему устройству. Этот процесс продолжается и завершается так же, как и с 7-битной адресацией.

Рисунок 14. Master-передатчик в режиме 10-битной адресации

Рисунок 15. Master-приёмник в режиме 10-битной адресации