Интерфейсная шина

для связи интегральных схем. Протокол передачи данных по шине I2С

гарантирует надежную и качественную прием/передачу данных.

Разработан корпорацией Philips в начале 1980-х как простая шина внутренней связи для создания управляющей электроники.

Версия 1.0. Эта первая спецификация шины выпущенная фирмой Philips в 1992. Описывает два режима скорости передачи данных — низкая 100 кбит/с (low-speed) и режим быстрой передачи (fast-speed) со скоростью до 400 кбит/с. Появился также режим 10-разрядной адресации.

Версия 2.0, выпущенная в 1998 году, ввела в спецификацию шины быстродействующий режим (Hs-mode) со скоростью передачи до 3,4 Мбит/с. Причем требования предписали вводить обязательную возможность совместимости с режимами low-speed и fast-speed. К моменту появления версии 2.0 шина I2С распространилась по всему миру, став международным стандартом. Было разработано более 1000 интегральных схем, лицензия на официальное использование спецификации приобретена более чем 50 фирмами.

Версия 2.1, датируемая 2000 годом, включает в себя незначительные модификации, не нашедшие отражения в версии 2.0. Эта версия является последней действующей версией, выпущенной Philips.

Полная гамма микросхем с интерфейсом I2С, выпускаемых фирмой, насчитывает в настоящее время более 150 наименований, выполненных с применением как перспективной КМОП-технологии, так и с уже ставшей традиционной — биполярной.

Двухпроводный последовательный интерфейс

является спектр её технических характеристик.
Шина I2С относится к классу

двунаправленных асинхронных шин с последовательной передачей данных и, как следствие, обладает достаточно низкой пропускной способностью. Поэтому её почти не используют в составе персональных компьютеров, а только как вспомогательную для идентификации установленных устройств.
Наибольшее применение шина I2C нашла для согласования работы устройств, наполняющих изделия бытовой техники, она вполне годится.
Основные технические характеристики шины I2С по спецификации 1.0 приведены в таблице 1.

Таблица 1 ‒ Основные технические характеристики шины I2С (спецификация 1.0)

2 представлены основные термины, связанные с шиной I2С.

передачу данных и формирует сигналы синхронизации.
Другое устройство "Ведомое" (Slave),

которое может начать передачу данных только по команде ведущего шины.

Рисунок 1 ‒ Master-организация шины I2С

Рисунок 2 ‒ Пример взаимодействия устройств на шине I2С

ведущими (multi-master) при организации шины состоит в том, что master-устройства

должны решать, кто из них будет работать в данный момент со slave-устройствами.
Одновременно на шине может совершать операции только одно master-устройство, остальные «мастера» обязаны отключаться. В противном случае возникает ситуация, называемая шинным конфликтом (коллизия). Информация может попросту не дойти до адресата, что обычно приводит к нарушению правильной работы устройства.
Для того чтобы исключить шинные конфликты, в режиме multi-master должны содержаться процедуры арбитража и синхронизации, устанавливающие порядок работы master-устройств.

Спецификация I2C в принципе поддерживает режим multi-master (рисунок 3), когда к одной шине подключено несколько master-устройств. Но этот режим используется в аппаратуре нечасто.

и провод синхронизации SCL.
Выходы устройства формирующего сигналы данных (SDA) и

синхронизации (SCL) должны быть типа «открытый коллектор», чтобы выполнять требования "монтажного И" на шине.
Для формирования высокого уровня сигнала на линиях к ним подключаются подтягивающие резисторы.
Число устройств, которые могут быть подключены к шине I2С, ограничивается только максимальной емкостью шины (400 пФ) и способностью адресации этих устройств.

Рисунок 4 – Схема подключения устройств в шине I2C

Такты синхронизации генерирует ведущий (master), ведомый (slave) выдает сигнал подтверждения при приеме байта.
Всего на одной двухпроводной шине может быть до 127 устройств.

совершенно не подходит для связи между удаленными абонентами, а значит,

может быть использована только в составе одного прибора. Это значит, что протяженность линий SDA и SCL должна быть невелика.
Пропускная способность шины определяется как параметрами интерфейсов, так и паразитными параметрами линий SDA и SCL. На рисунке 5 показаны эти паразитные параметры:
Спр — распределенная емкость линии относительно общего провода;
Свх — входная емкость интерфейса;
Lпp — индуктивность проводника линии.

Рисунок 5 ‒ Паразитные параметры, влияющие на пропускную способность шины I2С

Наличие паразитных параметров выражается в «затягивании» фронтов, а также спадов импульсов, что может нарушить нормальный обмен данными.
Еще одна опасность, скрытая в слишком длинных проводниках, связана с перенапряжениями, которые могут возникнуть на интерфейсных элементах при значительных величинах паразитной индуктивности проводов (Lnp). Резкое закрытие выходного транзистора характеризуется индуктивным выбросом напряжения на его стоке.

от высоковольтных наводок в режиме Hs-mode. Согласно рекомендациям, в схему

вводятся защитные резисторы Rs (рисунок 7).
Чтобы сократить время нарастания сигнала синхронизации, в интерфейс master-устройства вводится источник тока MCS. Сами же сигналы SDA и SCL здесь именуются SDAH и SCLH соответственно (индекс «Н» — это сокращение от слова high — высокий).

Рисунок 7 ‒ Структура шины I2С в режиме Hs-mode

способ выбора резисторов. Графики отнормированы относительно разных напряжений питания, но

поскольку наиболее часто используется вариант микросхем с питанием VDD = 5 В, то сведения ограничены только этим напряжением.
Вначале производится выбор резистора Rpu по рисунку 8. Исходя из рисунка 8, можно сделать вывод о том, что паразитная емкость практически не оказывает влияния на методику выбора резистора Rs. При разработке можно придерживаться «золотой середины», приняв значение паразитной емкости не более 100...200 пФ.
После определения Rpu по рисунку 9 определяется номинал резистора Rs (если, конечно, его предполагается ввести в схему).
В заключение проверяется по рисунку 10 номинал резистора Rpu. Например, для напряжения питания 5 В оно должно быть не менее 1,5...2 кОм. Выполнение требований графиков позволит получить в режиме Hs-mode максимальную скорость передачи.

Рисунок 8 ‒ Зависимость максимальной величины резистора Rpu от емкости шины

Рисунок 10 ‒ Зависимость минимальной величины резистора Rpu от напряжения питания

Рисунок 9 ‒ Зависимость максимальной величины резистора Rs от величины
резистора Rpu

только возможностями низкоскоростного обмена, должны без проблем связываться с высокоскоростными,

и наоборот.
К шине I2С могут быть подключены интерфейсы трех типов:
low-speed,
fast-speed,
Hs-mode.

Обмен данными может быть осуществлен со скоростью, доступной самому медленному интерфейсу. В таблице 3 приведены возможные предельные скорости обмена по совмещенной шине.
Таблица 3 ‒ Скорость обмена данными в совмещенных шинах

Совместимость

скорости обмена могут быть и не реализованы. Поэтому необходимо группировать

разноскоростные устройства, как показано на рисунок 11, и вводить между группами мосты (bridge).
Назначение моста — отсоединить более медленные элементы в моменты обмена между более быстрыми.

Рисунок 11 ‒ Совмещенная шина I2С

Дополнительное удобство, обеспечиваемое мостом, — возможность использования для питания шины двух напряжений (VDDI и VDD2).
Мост включается как master/slave-устройство Hs-режима и управляется сигналами SDAH, SCLH, SDA, SCL. Он может также присутствовать в составе отдельных микросхем (например, микроконтроллеров) как самостоятельное устройство.

Подтягивающие (Pull-up) резисторы желательно подключать к питающему напряжению 5 В,

как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 ‒ Соединение элементов с разными напряжениями питания

стробирования данных SDA по линии SCL. Master-устройство выставляет бит данных

«0» или «1» на линию SDA.
Slave-устройство фиксирует этот бит только тогда, когда на линии SCL произойдет перепад сигнала из низкого уровня в высокий (так называемый положительный перепад).
Отсюда следует первое правило организации протокола шины: смена информации на линии SDA может быть произведена только при нулевом состоянии линии SCL.

Рисунок 13 ‒ Передача бита по шине 12С

В исходном состоянии оба сигнала SDA и SCL находятся в высоком состоянии.
Для распознавания начала и конца передачи в спецификацию шины были введены специальные условия СТАРТ (Start) и СТОП (Stop). В фирменной документации условие Start имеет условное сокращение «S», условие Stop — «Р».

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 (рисунок 14). Этот переход воспринимается всеми устройствами, подключенными к шине как признак начала процедуры обмена.

Условие СТОП возникает при положительном перепаде линии SDA при единичном состоянии линии SCL (рисунок 15).
Состояния СТАРТ и СТОП всегда должны генерироваться master-устройствами.
Укрупненно информационный пакет, передаваемый по шине I2С, выглядит так, как показано на рисунке 16.

Рисунок 16 ‒ Информационный пакет данных на шине I2С

SDA данные, начиная со старшего бита (MSB) и заканчивая младшим

(LSB). Передача данных по шине производится по 8 битов. Данные стробируются по линии SCL импульсами 1...8.
На 9-м такте следует сигнал подтверждения (acknowledge). Сигнал подтверждения свидетельствует о том, что данные нормально приняты и обработаны (рисунок 17).
В фирменной документации состояние acknowledge условно именуется буквой «А», а в другой литературе ACK.

Рисунок 17 ‒ Передача байта по шине I2С с приемом сигнала подтверждения

Когда ведущий шины принимает данные, то на каждый принимаемый байт формируется бит подтверждения, если принятый байт не последний.

Для сообщения ведомому о том, что ведущий прекращает принимать данные по приему последнего байта АСК не формируется. Ведомый отпускает SDA, чтобы ведущий смог передать бит STOP. Ведущий может формировать бит STOP на месте бита подтверждения.

битов (MSB-LSB) должна быть выставлена в единичное состояние. Физически это

означает, что транзистор, подключенный к линии SDA, должен быть закрыт. В момент отрицательного перепада импульса 8 на линии SCL slave-абонент должен выставить на линию SDA нулевой уровень — открыть транзистор. Тем самым приемник подтверждает нормальный прием байта.

Передатчик (master-абонент) должен выставлять на линию SDA единичное состояние. Благодаря тому что линия организована по способу «монтажное И», ее состояние будет определяться только slave-абонентом. Передатчик должен проверить состояние линии SDA, затем выдать девятый стробирующий импульс, с которым slave-абонент выставит на линию SDA высокий уровень, проверить выполнение этой операции и лишь после продолжить передачу.

Рисунок 18 ‒ Состояние acknowledge

передатчику желательно выполнить условие Stop и повторить передачу.
Также может возникнуть

ситуация связанная с задержкой обработки данных у slave-абонента при получении сигнала подтверждения (ACK), как показано на рисунке 19.

Рисунок 20 ‒ Задержка состояния acknowledge

Задержка освобождения линии SDA не свидетельствует о неправильном обмене информацией, поэтому master-абоненту достаточно дождаться окончания АСК и продолжить передачу.
Если ведомому необходимо задержать передачу данных, то он может удерживать SCL в низком логическом уровне. Передача данных продолжится, когда ведомый отпустит SCL. Это позволяет ведомому подготовить новые данные для передачи.

Рисунок 19 ‒ Передача байта по шине I2С с отсутствием сигнала подтверждения

синхронизации и арбитража
Если на шине присутствует несколько master-абонентов, все они

наделены возможностью генерации сигнала SCL. Синхронизация между этими сигналами достигается благодаря функции «монтажное И» на линии SCL.
Таким образом, состояние «0» продлится до тех пор, пока все master-устройства не выставят на линии SCL высокий уровень, и линия SCL будет задержана в состоянии «0» абонентом с самым длинным циклом нулевого уровня. Остальные абоненты, уже освободившие линию, должны войти в состояние ожидания (рисунок 21).

Рисунок 21 ‒ Синхронизация на шине I2С

после того, как убедится, что шина свободна (линии SDA и

SCL имеют высокий уровень).
Однако несколько передатчиков могут сгенерировать состояние START практически одновременно, поэтому нужно определить, какое устройство первым выставило START-условие.

Так как линия SDA выполнена по способу «монтажное И», то в течение процедуры передачи все master-абоненты проверяют состояние линии SDA. Если обнаружено несоответствие (выставляется высокий уровень, а при проверке читается низкий), передатчик, выставляющий высокий уровень, отключается. Естественно, что в процессе передачи бита осуществляется синхронизация.

Рисунок 22 ‒ Арбитраж на шине I2С