Шина I2C. Основные понятия

В данной статье рассматриваются основные характеристики и преимущества протокола последовательной связи I2C (Inter-Integrated Circuit).

Связь через алфавитную кашу

Неудивительно, что общей особенностью электронных систем является необходимость обмена информацией между двумя или тремя или десятью отдельными компонентами. Инженеры разработали ряд стандартных протоколов, которые помогают различным микросхемам успешно общаться, что становится очевидным, когда вы сталкиваетесь с потоком сокращений в разделе «Связь» в списке характеристик микроконтроллера или сигнального процессора: UART, USART, SPI, I2C, CAN... Каждый протокол имеет свои плюсы и минусы, и важно немного знать о каждом из них, чтобы вы могли принимать обоснованные решения при выборе компонентов или интерфейсов.

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

Нет сомнений в том, что протокол I2C страдает серьезной терминологической проблемой. Фактическое название – шина Inter–Integrated Circuit. Самая простая и, вероятно, наименее распространенная аббревиатура – IIC. Возможно, эту аббревиатуру недолюбливали из-за того, что две заглавные буквы I выглядят как две единицы, или как две строчных буквы l, или как римская цифра II, или как символ параллельных прямых... В любом случае аббревиатура I²C (произносится как «I в квадрате C») приобрела популярность, несмотря на сомнительную логику обращения с обычной буквой, как если бы она была переменной, подверженной возведению в степень. Третий вариант – I2C («I два C»), который позволяет избежать неудобств форматирования верхнего индекса, а также несколько легче в произношении, чем «I в квадрате C»

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?

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:

• Используется только два сигнала (тактовая синхронизация и данные) независимо от токо, сколько устройство подключено к шине.
• Оба сигнала подтягиваются к положительному напряжению питания через резисторы, соответствующих номиналов.
• Каждое устройство взаимодействует с сигналами данных и тактовой синхронизации через драйверы вывода с открытым стоком (или с открытым коллектором).
• Каждое ведомое устройство идентифицируется с помощью 7-битного адреса; устройство мастер должно знать эти адреса, чтобы общаться с конкретным ведомым устройством
• Все передачи инициируются и прекращаются мастером; масте может передавать данные одному или нескольким ведомым устройствам или запрашивать данные из ведомого устройства.
• Метки «ведущий/master» и «ведомый/slave» по своей сути непостоянны: любое устройство может функционировать и как ведущее, и как ведомое устройство, если оно содержит необходимое аппаратное и/или программное обеспечение. На практике, однако, встраиваемые системы часто используют архитектуру, в которой одни мастер отправляет команды или собирает данные с нескольких ведомых устройств.
• Сигнал данных обновляется по заднему фронту тактового сигнала, а его выборка происходит по переднему фронту следующим образом:

  

• Данные передаются в однобайтовых секциях, причем каждый байт сопровождается однобитным сигналом подтверждения, называемым битом ACK/NACK (подтверждение или неподтверждение).

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.

С этих точек зрения видно, что I2C особенно подходит, когда у вас сложная, разнообразная или обширная сеть связанных устройств. Интерфейсы UART обычно используются для соединений «точка-точка», потому что не имеют стандартного способа адресации различных устройств и совместного использования линий связи. SPI отлично работает, когда у вас есть одно ведущее и несколько ведомых устройств, но для каждого ведомого устройства требуется отдельный сигнал выбора ведомого, что приводит к большому количеству линий связи и к трудностям разводки печатной платы, когда на шине находится много устройств. И SPI неудобен, когда вам нужно поддерживать несколько ведущих устройств.

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.

Теги