Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Собственно термин I 2С принадлежит фирме Philips, которая придумала этот интерфейс, а в описаниях AVR «местный» вариант I 2С называют TWI (от two-wire, «двухпроводной»). Мы не будем вдаваться в тонкости различий этих протоколов, потому что они нам, по большому счету, безразличны — главное, что они полностью совместимы, и все внешние устройства, имеющие интерфейс I 2С, будут работать с AVR. Потому во избежание путаницы мы всегда будем употреблять более распространенный термин I 2С.

Этот интерфейс использует два сигнальных провода, как и UART (плюс, конечно, «землю», поэтому физически это трехпроводной интерфейс, а не двухпроводной, как его часто называют), только по одному из них (SCL) всегда передаются синхронизирующие импульсы, а собственно информация — по второму (SDA). Информация в каждый данный момент времени передается только одним устройством и только в одну сторону. С помощью I 2С может быть (теоретически) соединено до 128 устройств, так, как показано на рис. 16.2. «Подтягивающие» резисторы должны иметь номинал порядка единиц или десятков килоом (чем выше скорость передачи, тем меньше). В качестве их можно использовать встроенные резисторы выходных линий портов AVR, но автор не рекомендует это делать, поскольку их номинал слишком велик для обычных скоростей передачи (см. далее).

Рис. 16.2. Соединение устройств по интерфейсу I 2С(общий провод не показан)

Обратите внимание, что все устройства в этом случае обязаны иметь выход с «открытым коллектором», а привязка к шине питания обеспечивается парой внешних резисторов. Как мы знаем, выходы портов AVR построены иначе: по схеме с симметричным КМОП-выходом и третьим состоянием. Чтобы обеспечить совместимость с «открытым коллектором», здесь реализуют хитрый прием: состояние разрыва (выключенного транзистора на выходе) имитируется установкой выхода в третье состояние, т. е. фактически в режим вывода порта на вход, а включенное состояние — установкой вывода порта на выход и при этом обязательно в состояние логического нуля.

Разумеется, чтобы различить несколько устройств, каждое из них обязано иметь индивидуальный адрес. Он задается 7-битным кодом (восьмой бит байта адреса служит для других целей, как мы увидим), потому-то всего таких устройств на одной линии может быть 128. Адрес этот часто задается еще изготовителем, хотя в самом AVR он может быть, разумеется, задан программно, но для наших целей это не потребуется, и вот почему.

Для того чтобы избежать конфликтов, во всех таких протоколах какое-то одно устройство может выставить себя главным (Master, ведущий). Оно может тогда инициализировать процесс обмена данными, выставляя на шину адрес того устройства, от которого желательно получить информацию — ведомого (Slave, что значит «слуга»). Все остальные устройства при этом «молчат», и таким образом налаживается двусторонний обмен. В принципе «мастером» может объявить себя любое устройство, но в простейшем случае это, естественно, микроконтроллер, а ведомыми при этом выступают другие микросхемы. При этом ведущему необязательно иметь свой собственный адрес, т. к. только он обращается к другим, к нему же не обращается никто, и выделять его с помощью специального адреса тогда не требуется.

Типовой вариант обмена информацией по интерфейсу I 2С показан на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Обмен информацией по интерфейсу I 2С

Кратко расшифруем эту диаграмму. Любой сеанс передачи по протоколу I 2С начинается с состояния линии, именуемого Start (когда состояние линии SDA меняется с логической единицы на нуль при высоком уровне на линии SCL). Start может выдаваться неоднократно (тогда он называется «повторный старт»). Заканчивается сеанс сигналом Stop (состояние линии SDA меняется с логического нуля на единицу при высоком уровне на линии SCL). Между этими сигналами линия считается занятой, и только ведущий (тот, который выдал сигнал Start) может управлять ей (подробнее см. в [2]). Сама информация передается уровнями на линии SDA (в обычной положительной логике), причем смена состояний может происходить только при низком уровне на SCL, при высоком уровне на ней происходит считывание значения бита. Любая смена уровней SDA при высоком уровне SCL будет воспринята либо как Start, либо как Stop.

Процесс обмена всегда начинается с передачи ведущим байта, содержащего 7-битовый адрес (начиная со старшего разряда). Восьмой (младший!) бит называется R/W и несет информацию о направлении обмена: если он равен «0», то далее ведущий будет передавать информацию (W), если равен «1» — читать (R), т. е. ожидать данные от ведомого. Все посылки (и адресные, и содержащие данные) всегда сопровождаются девятым битом, который носит название «бит квитирования». Во время действия этого девятого тактового импульса адресуемое устройство (т. е. ведомый, который имеет нужный адрес при передаче адреса, или ведущий, если данные направлены к нему, и т. п.) обязан сформировать ответ (АСК) низким уровнем на линии SDA. Если такого ответа нет (NACK), то можно считать, что данные не приняты, и фиксировать сбой на линии. Иногда устройства не требуют отсылки бита АСК, и это учтено в процедурах, которые рассмотрены далее.