Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия, Гук Михаил Юрьевич

Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия

на обложку

Гук Михаил Юрьевич

Шрифт:

Протокол обмена для обычных устройств F/S иллюстрирует рис. 11.1. Обе сигнальные линии имеют нагрузочные резисторы, «подтягивающие» их уровень к напряжению питания. На устройстве к каждой линии подключен приемник и передатчик типа «открытый коллектор» («открытый сток»), у ведомого устройства передатчик на линии

SCL

не обязателен. Все одноименные передатчики соединяются по схеме «Монтажное И»: уровень в линии будет высоким, если все передатчики пассивны, и низким, если хоть у одного передатчика выходной транзистор открыт. В покое (Idle, исходное состояние шины) все передатчики пассивны. Синхронизацию задает ведущее устройство, но ведомое, если оно не имеет достаточного быстродействия, может замедлять обмен данными.

Рис. 11.1. Протокол передачи данных I²C

Начало любой передачи — условие Start — инициируется ведущим

устройством, убедившимся в том, что шина свободна (высокий уровень сигналов

SCL

SDA

). Условие Start (на диаграммах обозначается как

) — перевод сигнала

SDA

из высокого в низкий при высоком уровне

SCL

. Завершается операция переводом сигнала

SDA

из низкого уровня в высокий при высоком уровне

SCL

— условие Stop (обозначается как

), также вводящееся ведущим устройством. При передаче данных состояние линии

SDA

может изменяться только при низком уровне

SCL

, биты данных считаются действительными во время высокого уровня SCL Ведущее устройство может начать очередную передачу вслед за текущей, не вводя условие Stop, — это называется repeated Start (повторный старт, обозначающийся

). В протоколе условия

почти равнозначны. 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

Ack

, по которому передатчик убеждается, что его «услышали». После передачи бита подтверждения ведомое устройство может задержать следующую посылку, удерживая линию

SCL

на низком уровне. Ведомое устройство в режимах F/S может замедлить передачу по шине и на уровне приема каждого бита, удерживая

SCL

на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком. Поэтому ведущее устройство должно генерировать сигнал

SCL

не «вслепую», а анализируя состояние линии

SCL

: сняв этот сигнал, новый импульс (открытие ключа передатчика) оно имеет право вводить, лишь убедившись, что сигнал

SCL

вернулся в пассивное состояние (высокий уровень). В противном случае синхронизация будет потеряна. Сигнал

SCL

может быть растянут и другим устройством, пытающимся захватить шину в это же время. Тактовый сигнал

SCL

не обязательно будет равномерным: время его нахождения на низком уровне будет определяться максимальным временем, в котором его захочет удержать самое медленное из устройств, участвующих в данном обмене (даже и конфликтующих); время нахождение на высоком уровне будет определяться самым быстрым из конфликтующих ведущих устройств.

Коллизия (конфликт) на шине может возникнуть, когда два (или более) устройства, убедившись в покое шины, одновременно (или почти одновременно) инициируют обмен данными. Все они управляют линиями

SCL

SDA

и наблюдают за ними. Если устройство, передающее единицу (высокий уровень), в данном такте на линии

SDA

видит ноль (низкий уровень), оно должно признать свой проигрыш в конфликте и освободить линии

SCL

SDA

(при этом ему позволительно управлять линией

SCL

до конца передачи текущего байта). Выигравшее устройство даже и не заметит проигравших конкурентов и продолжит работу. Арбитраж может закончиться в любом месте посылки, формируемой ведущим устройством. Искажения информации, передаваемой выигравшим устройством, не происходит (приятное отличие от коллизий в сетях Ethernet). Если ведущее устройство, проигравшее в конфликте, имеет и функции ведомого устройства, по признанию проигрыша оно должно перейти в режим ведомого, поскольку конфликт мог быть вызван и попыткой обращения к нему победившего ведущего устройства.

Бит подтверждения

ACK

, вводящийся в конце каждого байта устройством- приемником, выполняет несколько функций. Когда передатчиком является ведущее устройство, приемник (ведомый) должен вводить нулевой бит

ACK

, свидетельствующий о нормальном получении очередного байта. Единичный бит

ACK

(нет подтверждения) в ответ на посылку адреса свидетельствует об отсутствии адресованного ведомого устройства на шине или его занятости внутренними процессами. Отсутствие подтверждения байта данных свидетельствует о занятости устройства. Не получив бита подтверждения, ведущее устройство должно сформировать условие Stop, чтобы освободить шину. Когда ведущее устройство является приемником, оно должно формировать нулевой бит

ACK

после каждого принятого байта, кроме последнего. Единичный бит

ACK

в этом случае является указанием ведомому устройству на окончание передачи — оно теперь должно освободить линии

SDA

SCL

чтобы ведущее устройство смогло сформировать условие

или

На вышеописанной физической основе строится протокол обмена данными по I²C. Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, уникальный на шине. В начале любой передачи ведущее устройство после условия

или

посылает адрес ведомого устройства или специальный адрес (табл. 11.1). Ведомое устройство, опознавшее свой адрес после условия Start, становится выбранным; оно обязано ответить подтверждением на адрес и последующие сигналы со стороны ведущего устройства, до получения условия

или

. В первоначальном варианте интерфейса разрядность адреса устройства составляла 7 бит, впоследствии был введен и режим 10-битной адресации, совместимый с 7-битной. На одной шине могут присутствовать устройства и с 7-битной, и 10-битной адресацией.

Таблица 11.1. Специальные адреса I²C

Биты[7:1]	Бит 0 (RW)	Назначение
0000000	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 1XX	X	Код ведущего устройства режима Hs
1111 1XX	X	Зарезервировано
1111 0XX	X	Признак 10-битной адресации

При 7-битной адресации в первом байте после

(

) ведущее устройство передает 7 бит адреса (А[6:0] в битах [7:1]) и признак операции

(в бите 0

=1 — чтение,

=0 — запись). Адреса ведомых устройств не должны попадать в области, указанные в таблице. Диапазоны адресов устройств различных типов централизованно выдаются изготовителям микросхем фирмой Philips. Для микросхем памяти, например, 7-битный адрес содержит две части: старшие 4 бита А[6:3] несут информацию о типе устройства (EEPROM — 1010), а младшие 3 бита А[0:2] определяют номер устройства данного типа на шине. Микросхемы с интерфейсом I²C имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни 1 и 0 задается номер устройства, на который оно «отзовется», а тип устройства «зашит» в нем самом его изготовителем.

Когда ведущее устройство является передатчиком данных, оно в первом байте передает адрес ведомого устройства, при этом

=0. Выбранное ведомое устройство отзывается подтверждением (

ACK

=0), после чего ведущее устройство посылает один или несколько байт данных, на каждый из которых ведомое устройство должно отвечать подтверждением.

Когда ведущее устройство является приемником данных, оно в первом байте передает адрес ведомого устройства с

=1. Выбранное ведомое устройство также отзывается подтверждением (

ACK

=0), после чего происходит смена направления передачи и данные уже передает ведомое устройство. Ведущее устройство подтверждает каждый принятый байт, кроме последнего.

Эти передачи могут завершаться условием

, вводимым ведущим устройством, после которого шину может захватить любое ведущее устройство. Возможны и комбинированные передачи, когда ведущее устройство после окончания очередного обмена не отдает шину, а формирует повторный старт (

), после чего обращается к тому же или иному устройству.

Отметим, что спецификация I²C не оговаривает правил модификации внутреннего (для микросхемы) адреса данных при последовательных обращениях — их определяет разработчик устройства в соответствии с его функциями. Для памяти естественен автоинкремент адреса, упрощающий последовательные обращения. Для регистроориентированных устройств автоинкремент обычно не нужен.

Специальные коды, приведенные в табл. 11.1, трактуются следующим образом.

♦ Общий вызов является широковещательным, на него должны отвечать лишь устройства, поддерживающие соответствующие функции (см. ниже).

♦ Байт

Start

предназначен для облегчения программной реализации протокола I²C (для функций ведомых устройств, не имеющих полной аппаратной реализации протокола). На байт

Start

не должно отвечать ни одно устройство. Формируемый сигнал

SDA

(рис. 11.2) может быть использован как запрос аппаратного прерывания, по которому процессор «вплотную» займется обработкой сигналов I²C. До получения этого байта процессор (микроконтроллер) может не отвлекаться на слежение за сигналами интерфейса.