Zbernica i2c: Rozdiel medzi revíziami
Zo stránky SensorWiki
Bez shrnutí editace |
Bez shrnutí editace |
||
Riadok 24: | Riadok 24: | ||
|} | |} | ||
Zbernica '''I²C''' ('''Inter-Integrated Circuit''', výslovnosť ''I-squared-C'', prípadne ''I-two-C'') je multi-master počítačová sériová zbernica, ktorú vyvinula v roku 1982 firma Philips (v súčasnosti NxP). | |||
Ako už názov naznačuje, jej primárnym účelom bolo zabezpečiť komunikáciu medzi periférnymi obvodmi pre spotrebnú elektroniku (zosilňovače, rozhlasové prijímače, televízory) v rámci dosky s plošnými spojmi. Okrem toho sa používa najmä na prepojovanie nízkorýchlostných periférií v počitačoch, vnorených (embedded) systémoch alebo mobilných zariadeniach. Postupne vzniklo niekoľko vylepšení, najmä s vyššou prenosovou rýchlosťou. Používanie bolo spočiatku licencované, ale od r. 2006 sa licenčné poplatky nevyžadujú (s výnimkou poplatku za pridelenie špecifickej adresy zariadenia). Zbernica bola úspešne akceptovaná priemyslom a kompatibilné periférne obvody vyrába niekoľko desiatok výrobcov, vrátane napr. Siemens AG (neskôr Infineon), NEC, Texas Instruments, STMicroelectronics, alebo Motorola (neskôr Freescale, v súčasnosti spojená s NXP). Z licenčných dôvodov si vytvorili niektorí výrobcovia vlastnú, kompatibilnú verziu, ale s iným názvom. Preto sa táto zbernica v procesoroch Atmel AVR nazýva '''TWI''' (Two Wire Interface - dvojvodičové rozhranie). V PC priemysle sa zasa udomácnila zjednodušená verzia pod názvom '''SMBus''' (Intel, 1995). | |||
Riadok 37: | Riadok 32: | ||
[[Soubor:I2C.svg|náhled|350px|Jednoduchá schéma s jedním řídícim ([[jednočipový počítač|mikrokontrolér]]) a třemi řízenými zařízeními ([[A/D převodník|ADC]], [[D/A převodník|DAC]] a jiný mikrokontroler) s [[pull-up rezistor]]y R<sub>p</sub>]] | [[Soubor:I2C.svg|náhled|350px|Jednoduchá schéma s jedním řídícim ([[jednočipový počítač|mikrokontrolér]]) a třemi řízenými zařízeními ([[A/D převodník|ADC]], [[D/A převodník|DAC]] a jiný mikrokontroler) s [[pull-up rezistor]]y R<sub>p</sub>]] | ||
== Charakteristika == | == Charakteristika == |
Verzia z 12:59, 15. apríl 2021
I²C | |
![]() | |
Type | Bus |
Production history | |
---|---|
Designer | Philips Semiconductor, known
|
Designed | 1982; 34 years ago |
Data | |
Signal | Open drain |
Width | 1 bit (SDA) + clock (SCL) |
Bitrate | 0.1 / 0.4 / 1.0 / 3.4 / 5.0 Mbit/s (depending on mode) |
Protocol | Serial, Half Duplex |
Zbernica I²C (Inter-Integrated Circuit, výslovnosť I-squared-C, prípadne I-two-C) je multi-master počítačová sériová zbernica, ktorú vyvinula v roku 1982 firma Philips (v súčasnosti NxP).
Ako už názov naznačuje, jej primárnym účelom bolo zabezpečiť komunikáciu medzi periférnymi obvodmi pre spotrebnú elektroniku (zosilňovače, rozhlasové prijímače, televízory) v rámci dosky s plošnými spojmi. Okrem toho sa používa najmä na prepojovanie nízkorýchlostných periférií v počitačoch, vnorených (embedded) systémoch alebo mobilných zariadeniach. Postupne vzniklo niekoľko vylepšení, najmä s vyššou prenosovou rýchlosťou. Používanie bolo spočiatku licencované, ale od r. 2006 sa licenčné poplatky nevyžadujú (s výnimkou poplatku za pridelenie špecifickej adresy zariadenia). Zbernica bola úspešne akceptovaná priemyslom a kompatibilné periférne obvody vyrába niekoľko desiatok výrobcov, vrátane napr. Siemens AG (neskôr Infineon), NEC, Texas Instruments, STMicroelectronics, alebo Motorola (neskôr Freescale, v súčasnosti spojená s NXP). Z licenčných dôvodov si vytvorili niektorí výrobcovia vlastnú, kompatibilnú verziu, ale s iným názvom. Preto sa táto zbernica v procesoroch Atmel AVR nazýva TWI (Two Wire Interface - dvojvodičové rozhranie). V PC priemysle sa zasa udomácnila zjednodušená verzia pod názvom SMBus (Intel, 1995).
[[Soubor:I2C.svg|náhled|350px|Jednoduchá schéma s jedním řídícim (mikrokontrolér) a třemi řízenými zařízeními (ADC, DAC a jiný mikrokontroler) s pull-up rezistory Rp]]
Charakteristika
Sběrnice rozděluje připojená zařízení na řídicí (master – zahajuje a ukončuje komunikaci; generuje hodinový signál SCL) a řízené (slave – zařízení adresované masterem). Podle stavu k 1. říjnu 2006 nejsou vyžadovány žádné licenční poplatky pro implementaci, avšak zpoplatněné je přidělování adres pro slave zařízení.[1]
Sběrnice I²C se hojně používá v různých zařízeních včetně IBM PC kompatibilních počítačů:
- čtení konfiguračních dat z SPD EEPROM v paměťových DIMM modulech (SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR2)
- správa PCI karet pomocí spojení SMBus 2.0
- přístup k NVRAM čipům obsahujících uživatelská nastavení (na síťové kartě, řadiči)
- přístup k nízkorychlostním D/A a A/D převodníkům
- změna kontrastu, teploty barev, vyvážení barev v monitorech (DDC)
- změna hlasitosti inteligentních reproduktorů
- řízení OLED a LCD displejů mobilních telefonů
- čtení údajů o monitorovaných zařízeních (teplota procesoru, rychlost větráčků)
- čtení hodin reálného času
- zapínání a vypínání napájení systémových komponent
Fyzická vrstva
Umožňuje propojení až 128 různých zařízení s pomocí pouze dvou obousměrných vodičů. Jeden tvoří hodinový signál SCL (Synchronous Clock) a druhý datový kanál SDA (Synchronous Data). Z elektrického hlediska jsou oba kanály zapojeny jako otevřený kolektor. Maximální délka vodičů je dána jejich nejvyšší přípustnou kapacitou 400 pF. Každý vodič musí být připojen jedním pull-up rezistorem ke kladnému napětí, což zajistí vysokou úroveň v klidovém stavu. Při probíhajícím přenosu jsou na SDA vysílány jednotlivé datové bity přičemž platí pravidlo, že logická úroveň na SDA se smí měnit pouze je-li SCL v úrovni L. Toto pravidlo je porušeno ve dvou speciálních případech. A to při vysílání podmínek START a STOP, které se používají k zahájení komunikace a k ukončení přenosu.
Maximální frekvence signálu SCL je podle verze I2C 100 kHz nebo 400 kHz. Pro obě frekvence je dána minimální povolená doba setrvání SCL v úrovni L a H. Při komunikaci i při přenosu dat si jednotlivé stanice synchronizují generátory hodin tak, že trvání úrovně H na SCL je odměřováno vnitřním časovačem každé stanice až od okamžiku, kdy SCL skutečně úrovně H dosáhne (protože je SCL typu otevřený kolektor, může být v úrovni L držen i v situaci kdy se daná stanice snaží nastavit úroveň H). Podobně je doba trvání úrovně L na SCL odměřována od sestupné hrany. Tento mechanismus umožňuje některé ze stanic zpomalit přenos: pomalá stanice může podržet po určitou dobu signál SCL v úrovni L a tím zabránit vysílající stanici ve vyslání dalšího bitu. Sběrnice I2C neumožňuje duplexní přenos, v jednom okamžiku vysílá jen jedno zařízení. Všechna zařízení připojená na sběrnici musí mít individuální adresu o délce 7 nebo 10 bitů a implementovaný mechanizmus komunikace pomocí I²C sběrnice.
Časový diagram
střed|600px|Sekvence přenosu dat
Přenos dat se zahajuje START bitem (S), když je SDA nízká, zatímco SCL zůstává vysoká. Pak, SDA nastaví přenášený bit zatímco SCL je nízká (modrá) a jsou odebrány vzorky dat (přijaté) při SCL stoupá (zelená). Když je přenos dokončen, je poslaný STOP bit (P) pro uvolnění datové linky, změnou SDA na vysokou, zatímco SCL je trvale vysoký. Aby se zabránilo falešně detekci, je úroveň na SDA změněn na negativní hraně a je zachycen na kladné hrany SCL. náhled|630x630px
Linková vrstva
Každému přenosu předchází vyslání podmínky START. Potom je vysílána 7bitová adresa příjemce a jeden bit R/W, který indikuje požadovanou operaci (čtení/zápis). Další bit ACK je vysílán s úrovní H a je určen k potvrzení přijímací stanice o připravenosti přijímat. Dále jsou přenášena data ve směru určeném předchozím bitem R/W. Každý byte je následován jedním bitem ACK. Po ukončení přenosu je vyslána podmínka STOP.
Řízení komunikace
Pro řízení komunikace se na I2C používá metoda s detekcí kolize. Každá ze stanic může zahájit vysílání, je-li předtím sběrnice v klidovém stavu. Během vysílání musí neustále porovnávat vysílané bity se skutečným stavem SDA. Je-li zjištěn rozdíl mezi očekávaným a skutečným stavem linky SDA, je to indikace kolize mezi několika stanicemi. Vzhledem k charakteru sběrnice (otevřené kolektory) může k této situaci dojít, pokud určitá stanice vysílá úroveň H, zatímco jiná stanice vysílá úroveň L. Stanice, která na lince zjistí úroveň L zatímco sama vysílá H musí vysílání okamžitě ukončit . K řízení komunikace většinou dochází během vyslání několika prvních bitů, kdy je vysílána adresa přijímací stanice. Pokud by se např. dvě stanice současně pokusily o zápis do stejného obvodu, nastane kolize až při přenosu vlastních zapisovaných dat. V krajním případě, kdy několik stanic současně zapisuje stejná data na stejnou adresu, nemusí být kolize vůbec detekována.
Adresování
Každá stanice připojená na I2C má přidělenou 7bitovou adresu. Po zachycení podmínky START, porovnávají všechny obvody svou adresu s adresou, která je vysílána na sběrnici. Zjistí-li některý z obvodů shodu, je vysílání určeno právě jemu a musí přijetí adresy potvrdit bitem ACK. Potom přijímá nebo vysílá další data. Několik adres je na I2C vyhrazeno pro speciální účely. Například adresa 0000000 je určena pro vysílání broadcast adresy 0000011, 00001XX a 11111XX jsou rezervovány pro další účely.
Potvrzování
Každý vysílaný byte a vyslaná adresa je následována vysláním jednoho bitu ACK. Vysílající stanice jej vysílá v úrovni H. Přijímající stanice potvrzuje přijetí tím, že v době vysílání ACK připojí SDA na úroveň L. Pokud vysílající stanice nedostane potvrzení příjmu, ukončí vysílání podmínkou STOP.
Reference
Šablóna:Pahýl Šablóna:Autoritní data
Kategorie:Sběrnice Kategorie:Protokoly linkové vrstvy Kategorie:Protokoly fyzické vrstvy
Literatúra
- Official I2C Specification Version 6 http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf
- Official List of assigned NXP / Philips I2C addresses http://www.diolan.com/downloads/i2c-address-allocation-table.pdf
- Podrobný článok na Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C
- Pseudokod bitbang i2c https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C#Example_of_bit-banging_the_I.C2.B2C_Master_protocol
- https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c Dobry tutorial
- Procyon SW library http://www.procyonengineering.com/embedded/avr/avrlib/docs/html/i2csw_8c-source.html
- Bitbanging by hand http://hackaday.com/2013/08/11/bitbanging-i2c-by-hand/
- http://hackaday.com/2015/06/25/embed-with-elliot-i2c-bus-scanning/
- http://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-i2c-communication-works-and-how-to-use-it-with-arduino/
- Arduino TWI Library https://www.arduino.cc/en/Reference/Wire
- http://playground.arduino.cc/Main/WireLibraryDetailedReference
- http://fritzing.org/projects/readwrite-serial-eeprom-via-i2c - DO PPT
- https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c - DO PPT
- M24C02 Datasheet
- Mitchell Kahn: Programming the i2c interface. Dr. Dobb's Journal, June 1992.
- http://dsscircuits.com/articles/86-articles/47-effects-of-varying-i2c-pull-up-resistors
- http://www.gammon.com.au/i2c
- http://www.gammon.com.au/forum/?id=10896
Datasheets
Vsetko mozne k zbernici i2c (mozno presunut na stranku Category):
Tools
Bus Pirate
Bus Pirate po pripojení sa nainštaluje FTDI serial port driver a OS mu pridelí nejaký port. Cez tento port sa terminálovým programom pripojíme k Bus Piratovi. Parametre portu sú 115 200 bps / 8 / N / 1, no Flow control.
Prvý príkaz je obvykle otáznik, zobrazí sa celé menu.
Postup príkazov pre prácu s i2c zbernicou:
HiZ> ?
MENUS
? Help
I Status info
M Bus mode
B Terminal speed
O Data display format
V Check supply voltages
F Frequency count on AUX
G Frequency generator/PWM on AUX
C AUX pin assignment
L Bit order
P Pullup resistors
= HEX/DEC/BIN converter
~ Self test
# Reset
$ Bootloader
SYNTAX
A/a/@ AUX output toggle H/L/read
W/w Power supply toggle on/off
d (D) Measure voltage on ADC probe (continuous)
[ ({) Start (with read)
] or } Stop
R or r Read byte
0b Write BIN byte
0h or 0x Write HEX byte
0-255 Write DEC byte
, Delimiter (also space)
& 1uS delay
: Repeat (r:2, 0x0a:4, &:20, ^:2, etc.)
(#) Run macro, (0) for macro list
RAW BUS OPERATIONS
/\ Clock H/L
-/_ Data H/L
. Read data input pin state
^ Clock tick
! Read bit
HiZ> M
1. HiZ
2. 1-WIRE
3. UART
4. I2C
5. SPI
6. JTAG
7. RAW2WIRE
8. RAW3WIRE
9. PC KEYBOARD
10. LCD
(1) > 4
Mode selected
Set speed:
1. ~5KHz
2. ~50KHz
3. ~100KHz
4. ~400KHz
(1) >4
READY
I2C>
Teraz je Pirát pripravený pracovať so zbernicou i2c. Zapneme napájanie a Pull-Up rezistory:
I2C> w
POWER SUPPLIES OFF
I2C> v
Voltage monitors: 5V: 0.05 | 3.3V: 0.00 | VPULLUP: 0.01 |
I2C> W
POWER SUPPLIES ON
I2C> v
Voltage monitors: 5V: 6.59 | 3.3V: 3.88 | VPULLUP: 5.00 |
I2C> P
1. Pull-ups off
2. Pull-ups on
(1) > 2
Pull-up resistors ON
I2C>
Preskenujeme zbernicu, co je na nej pripojene:
I2C> (1) <<< macro 1, I2C address search Searching 7bit I2C address space. Found devices at: 0xA0(0x50 W) 0xA1(0x50 R) I2C>
Now we can talk to the chip. I needed something very simple, only to verify that the chip is OK, so I wrote random byte (I chose 0xAA) to the address 0x00 and read it back.
To write a byte to memory we need to enter this [0xA0 0x00 0xAA]
[ = Start bit 0xA0 = I2C address of the EEPROM with the WRITE bit 0x00 = Memory address 0xAA = Data ] = Stop bit
I2C> [0xA0 0x00 0xAA] I2C START BIT WRITE: 0xA0 ACK WRITE: 0x00 ACK WRITE: 0xAA ACK I2C STOP BIT I2C>
Now we need to set the read pointer to address we want to read. This is accomplished with this command [0xA0 0x00]
I2C> [0xA0 0x00] I2C START BIT WRITE: 0xA0 NACK WRITE: 0x00 NACK I2C STOP BIT I2C>
And at last we can read the byte stored at the address. [0xA1 r:1] 0xA1 = I2C address of the EEPROM with the READ bit set r:1 = tells the Bus Pirate to read 1 byte
I2C> [0xA1 rrrrr] alebo [0xA1 r:5] I2C START BIT WRITE: 0xA1 ACK READ: 0x0B ACK READ: 0xA0 ACK READ: 0x03 ACK READ: 0xAB ACK READ: 0x55 NACK I2C STOP BIT I2C>
Toto posledne sa ukazalo ze nefunguje, pretoze random read asi treba spravit takto [0xA0 0x1 0xA [0xA1 r] (opakovany start).
When you're done - na konci:
I2C> m <<<mode menu 1. HiZ ... 10. LCD (1) > <<<HiZ is the default Mode selected HiZ>
- http://www.i2c-bus.org/
- Analyzator: Bus Pirate + Logic Sniffer OLS:
- http://dangerousprototypes.com/docs/Logic_Sniffer_101
- http://dangerousprototypes.com/docs/Logic_Sniffer_102
Ukazkove programy (pre Arduino):
- Jednoduchy zapis
- Jednoduche citanie (vyzaduje aj zapis)
- Jednoduchy scan zbernice http://playground.arduino.cc/Main/I2cScanner
- Komplexny i2c scanner https://github.com/RobTillaart/Arduino/tree/master/sketches/MultiSpeedI2CScanner
K. Zbernica i2c: EEPROM
Prečítajte obsah predloženej pamäti EEPROM a zobrazte na PC.
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdlib.h>
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <util/twi.h>
#include <stdio.h>
//#include "lcd.h"
#include "Uart_ch.h"
unsigned char RD_EEprom(unsigned char adr_RAM);
void WR_EEprom(unsigned char adr_IC,unsigned char adr_pocitadlo);
void obsluha_Stav_Aut_I2C(void);
#define ADR_IC_WR 0xA0 // EEPROM Adresa IC+WR
#define ADR_IC_RD 0xA1 // EEPROM Adresa IC+RD
volatile unsigned char buffer_I2C[10]; // buffer pre obsluhu I2C
FILE mystdout_Uart = FDEV_SETUP_STREAM(sendchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
void WR_EEprom(unsigned char adr_IC,unsigned char adr_pocitadlo)
{ // nastavenie globalnych premennych
buffer_I2C[0]=adr_IC; // Adr obvodu + wr
buffer_I2C[1]=adr_pocitadlo; // Nastavenie Adresneho citaca 24LC04 , Adresa (z ktorej citam)/(do ktorej zapisujem)
// buffer_I2C[1]=<obsah>; // zapisovane data, byte,-ty
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTA) | _BV(TWEN); // send start condition
// a odovzdanie riadenia "preruseniu od I2C"
obsluha_Stav_Aut_I2C();
}
unsigned char RD_EEprom(unsigned char adr_RAM)
{
// nastavenie globalnych premennych
buffer_I2C[0]=ADR_IC_RD; // Adr obvodu + rd
buffer_I2C[1]=adr_RAM; // Sem vrati obsah z nastavenej adresy 24LC04
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTA) | _BV(TWEN); // send start condition
// a odovzdanie riadenia "preruseniu od I2C"
obsluha_Stav_Aut_I2C();
return(buffer_I2C[1]);
}
// tato funkcia vyuziva globalne premenne
// buffer_I2C[x]
// Wr_data - tato premenna nadobuda vyznam az pri komunikacii s konkretnou premennou
// vid. "instrukcny subor" I2C periferie
// implementovany instrukcny subor pre seriovu EEPROM max 256 byte
// S|adr_IO+wr|<AC>|P -- nastavenie adresneho citaca pamate EEPROM
// {nie je implementova} S|adr_IO+wr|<AC>|data|P -- zapisanie dat na nastavenu adresu pamate EEPROM
// S|adr_IO+rd|data|P -- precitanie jedneho bytu z aktualne nastavenej adresy pamate EEPROM
// obsah adresneho citaca sa inkrementne
void obsluha_Stav_Aut_I2C(void)
{ unsigned char pom_St_Aut=0;
nav:while ((TWCR & _BV(TWINT)) == 0); /* wait for transmission */
{ pom_St_Aut=TWSR & 0xf8; // precitaj stav
printf(" %02x",pom_St_Aut);
switch(pom_St_Aut)
{ case TW_START:// = 0x08 // odvysielany start
case TW_REP_START:// = 0x10 // odvysielany repeated start
TWDR = buffer_I2C[0];// Adr+wr/rd, adresa IO
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN); /* clear interrupt to start transmission */
break;
case TW_MT_SLA_ACK: // 0x18 Data byte has been tramsmitted and ACK received
TWDR = buffer_I2C[1]; // tu konkretne, nastavenie Adreseho citaca pamate.
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN); /* clear interrupt to start transmission */
break;
case TW_MT_DATA_ACK: // 0x28 Data byte has been tramsmitted and ACK received
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTO) | _BV(TWEN); /* send stop condition */
return; // tento riadok v preruseni vypadne
break;
case TW_MR_SLA_ACK: // 0x40 // Data byte has been tramsmitted and NACK received
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWEN) ; // clear interrupt to start transmission
break;
case TW_MR_DATA_NACK: // 0x58 // Data byte has been tramsmitted and ACK received
buffer_I2C[1]= TWDR; // Vycitaj jeden byte z 24LC04. Adresny citac sa posunie
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTO) | _BV(TWEN); // send stop condition
return; // tento riadok v preruseni vypadne
break;
default:
TWCR = _BV(TWINT) | _BV(TWSTO) | _BV(TWEN); /* send stop condition */
return; // tento riadok v preruseni vypadne
break;
}
}
goto nav; // toto v preruseni vypadne
}
int main(void)
{ unsigned char znak;
unsigned int i=0;
unsigned char poc_adresa_EEPROM=0;
inituart(); // inicializacia UARTU // inicializacia v 4-bitovom rezime
// sei(); // Enable ALL interrupts
// ini I2C
{
TWCR = _BV(TWEN); /* send start condition */
TWBR = 72; // fi2c= fosc/(16 +2(preddelic=00=> 1)(<TWBR>)) = 100kHz
TWSR=1;
}
// TODO: to USART
/* ************************************************************ */
stdout = &mystdout_Uart;
printf("Nastavenie adresy EEPROM = %02x \n\r",poc_adresa_EEPROM);
WR_EEprom(ADR_IC_WR,poc_adresa_EEPROM);
printf("\n\r\rVypis EEPROM: \n\r");
// vypisme prvych 10 znakov
while (i<10) //256)// kapacita pamate 256 znakov, bytov,
{
znak = RD_EEprom(ADR_IC_RD); // obsah adresneho citaca EEPROM sa automaticky inkrementuje
if(znak==0xff)i=256; // vymazane pametove miesto
{
printf(" %02d %02x %c\r",i++,znak,znak);
}
}
for(;;); // a cakam napr. na "RESET"
}