I²C

I²C – szeregowa, dwukierunkowa magistrala służąca do przesyłania danych w urządzeniach elektronicznych. Została opracowana przez przedsiębiorstwo Philips[1] na początku lat 80. Znana również pod akronimem IIC, którego angielskie rozwinięcie Inter-Integrated Circuit oznacza „pośrednik pomiędzy układami scalonymi”. Standard I²C określa dwie najniższe warstwy modelu odniesienia OSI: warstwę fizyczną i warstwę łącza danych.

Historia

Standard został opracowany na początku lat 80. (określany obecnie jako tryb standardowy pracy) i cechowały go:

W 1992 roku została opracowana wersja 1.0 standardu, która wprowadzała następujące zmiany:

  • dodanie trybu pracy z prędkością transmisji 400 kbps[2] (Fast Mode)
  • rozszerzenie standardu o możliwość adresowania 10-bitowego[2]

W 1998 roku opracowana została wersja 2.0:

  • dodanie trybu High Speed Mode, pozwalającego na prędkość transmisji 3,4 Mbps
  • Zwiększenie zakresu tolerancji napięcia w stanie wysokim: 2,3 – 5,5 V

W 2000 roku powstała wersja 2.1, wprowadzająca drobne zmiany[3]. W 2007 opracowana została wersja 3.0, w której wprowadzono m.in. mechanizm identyfikacji urządzenia[4]. W wersji 7 zmieniono terminy "master/slave" na "controller/target" w celu dostosowania do specyfikacji magistrali I3C[5].

Warstwa fizyczna

I²C do transmisji wykorzystuje dwie dwukierunkowe linie: SDA – linia danych (ang. Serial Data Line) i SCL – linia zegara (ang. Serial Clock Line)[6]. Obydwie linie są na stałe podciągnięte do źródła zasilania poprzez rezystory[7] podciągające (ang. pull-up). I²C używa logiki dodatniej, a więc stan niski na magistrali odpowiada „0” logicznemu, natomiast stan wysoki „1” logicznej.

Przebieg czasowy sygnałów w magistrali I²C

Wszystkie nadajniki są typu otwarty kolektor[7] lub otwarty dren, a więc na liniach występuje tzw. iloczyn na drucie[7] („1” jest recesywna, a „0” dominujące). Pozwala to na wykrywanie kolizji[8]. Każde urządzenie nadając „1” jednocześnie sprawdza, czy na magistrali rzeczywiście pojawił się stan wysoki. Jeżeli tak nie jest, oznacza to, iż inne urządzenie nadaje w tym samym czasie i urządzenie zaprzestaje nadawania[8].

Podstawowa wersja I²C zakłada istnienie tylko jednego urządzenia, które może inicjować transmisję (master), ale dzięki istnieniu mechanizmu detekcji kolizji, możliwa jest praca w trybie multi-master. Ponieważ dane nadawane są w kolejności od najstarszego bitu do najmłodszego, w przypadku jednoczesnego nadawania, urządzenie nadające adres o wyższym numerze wycofa się pierwsze, co wynika z binarnego sposobu zapisywania liczb. Występuje tu zatem arbitraż ze stałym przydziałem priorytetów, określonym przez adres urządzenia typu slave. Urządzenia o niższych adresach mają wyższy priorytet od urządzeń o adresach wyższych.

Zmiana na linii danych podczas transmisji może następować jedynie, gdy linia zegara znajduje się w stanie niskim[6]. Nie dotyczy to specjalnych sytuacji: bitu startu i bitu stopu. Bit startu ma miejsce, gdy linia danych zmienia swój stan z „1” na „0”, podczas wysokiego stanu linii zegara, co ma miejsce w momencie rozpoczynania każdej transmisji danych[6]. Po zakończeniu transmisji generowany jest bit stopu, czyli przejście linii danych w stan wysoki przy wysokim stanie linii zegara[6].

Standard zakłada magistralowe połączenie urządzeń. Długość linii ograniczona jest jedynie jej maksymalną pojemnością, która wynosi 400 pF[9], co w praktyce ogranicza długość do kilku metrów.

Warstwa łącza danych

I²C jest magistralą zorientowaną bajtowo, a więc bity grupowane są po 8[10]. Dane są wysyłane w kolejności od najbardziej znaczącego bitu do najmniej znaczącego[11]. Po przesłaniu 8 bitów w jednym kierunku, przesyłany jest dodatkowy bit potwierdzenia odebrania danych ACK (lub NACK w przypadku braku potwierdzenia) w kierunku przeciwnym[10].

Pierwszym bajtem jest zawsze nadawany przez urządzenie master adres urządzenia slave[12], który oprócz 7 bitów właściwego adresu zawiera bit kierunku transmisji na najmłodszej pozycji[12]. Wartość „0” tego bitu oznacza transmisję od mastera do slave’a (zapis), podczas gdy wartość „1” kierunek przeciwny (odczyt)[12]. Po pierwszym bajcie przesyłane zostają dane[12].

Opracowany na początku lat 80. standard zakładał 7-bitową przestrzeń adresową, czyli możliwość zaadresowania do 128 urządzeń. W praktyce część adresów jest zarezerwowana, pozostawiając do dyspozycji 112 wartości. Jednym z zarezerwowanych adresów jest tzw. General call (adres 0), który powoduje wysłanie danych do wszystkich urządzeń podłączonych do magistrali[13].

Wersja 1.0 magistrali pozwala na adresowanie 10-bitowe. W takim przypadku pierwszy przesyłany bajt zawiera 5 z góry ustalonych bitów (11110) oraz dwa najstarsze bity adresu 10-bitowego, drugi bajt zawiera pozostałe 8 bitów adresu. Potem następuje normalna transmisja danych[14].

Zastosowania

I²C stosuje się w przypadkach, gdy prostota i niski koszt są ważniejsze od wysokich prędkości transmisji. Znalazło ono zastosowanie m.in. w:

  • Odczytywaniu zegarów czasu rzeczywistego (RTC) w komputerach i urządzeniach wbudowanych
  • Komunikacji z prostymi i wolnymi przetwornikami cyfrowo-analogowymi i analogowo-cyfrowymi
  • Odczycie czujników diagnostycznych w komputerze (prędkość obrotu wentylatorów, temperatury procesora i ważniejszych układów na płycie głównej)
  • Robotyce (czujniki przyspieszenia i odległości)
  • Komunikacja z czujnikami i elementami wykonawczymi w małych systemach wbudowanych
  • Dostępie do pamięci NVRAM komputera
  • Sterowanie diodami LED w urządzeniach przenośnych (np. komórkach)
  • Komunikacji pomiędzy układami w telewizorach i innym sprzęcie RTV (jest to pierwotne miejsce zastosowania magistrali I²C)

Przykłady dostępnych układów

W sprzedaży dostępnych jest wiele bardzo tanich układów scalonych sterowanych poprzez I²C:

  • PCF8563/8583 – zegar, kalendarz, alarm, timer, dodatkowo może służyć jako RAM (ale do wykorzystania tylko 240B)
  • PCF8574 – pseudodwukierunkowy 8-bitowy ekspander
  • PCF8548, PCF8576, PCF8577 – sterowniki wyświetlaczy LCD
  • PCF8582 – pamięć EEPROM 256 bajtów i wiele większych pojemnościach
  • PCF8591 – 8-bitowy, 4-kanałowy przetwornik analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy
  • 24LC256 – pamięć EEPROM z interfejsem szeregowym (ang. Serial Electrically Erasable PROM) o organizacji 32K lokacji po 8bitów.

Biblioteki do obsługi I²C

W Linuksie obsługa I²C dla wybranych urządzeń jest częścią jądra. Informacje o tym, jak napisać aplikację korzystającą z tej magistrali można znaleźć w jego dokumentacji, w pliku nagłówkowym /usr/include/linux/i2c.h.

Osoby programujące mikrokontrolery produkowane przez przedsiębiorstwo Atmel i oparte na rdzeniu AVR mogą posłużyć się biblioteką Procyon AVRlib, która implementuje funkcje zarówno dla urządzeń typu slave, jak i master, w trybie przerwaniowym i nieprzerwaniowym.

Technologie pochodne

Na I²C oparte zostały inne standardy komunikacji:

  • VESA Display Data Channel, czyli standard komunikacji karty graficznej z urządzeniami wyświetlającymi
  • ACCESS.bus, czyli opracowana przez przedsiębiorstwo Philips magistrala o właściwościach podobnych do USB
  • SMBus

Różnią się one stosowanymi napięciami i częstotliwościami, a także mogą stosować dodatkowe linie przerwań.

Alternatywne nazwy

Ponieważ I²C jest nazwą zastrzeżoną przez przedsiębiorstwo Philips, inne przedsiębiorstwa implementują kompatybilne standardy pod innymi nazwami:

  • TWI (Two Wire Interface), stosowane w mikrokontrolerach przedsiębiorstwa Atmel
  • IIC (Inter-Intergrated Circuit)
  • SCCB (Serial Camera Control) w produktach przedsiębiorstwa OmniVision

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ Mielczarek 1993 ↓, s. 111.
  2. ↑ a b c d Mielczarek 1993 ↓, s. 112.
  3. ↑ The I²C-bus specification. Version 2.1, Philips Semiconductors, styczeń 2000, document order number: 9398 393 4001 [zarchiwizowane 2007-02-12].
  4. ↑ I2C-bus specification and user manual. Rev. 03, NXP, 19 czerwca 2007, UM10204 [zarchiwizowane 2012-02-07].
  5. ↑ I2C-bus specification and user manual. Rev. 7.0, NXP, 1 października 2021 [dostęp 2022-02-07] (ang.).
  6. ↑ a b c d Mielczarek 1993 ↓, s. 113.
  7. ↑ a b c Mielczarek 1993 ↓, s. 123.
  8. ↑ a b Mielczarek 1993 ↓, s. 133.
  9. ↑ Mielczarek 1993 ↓, s. 125.
  10. ↑ a b Mielczarek 1993 ↓, s. 114.
  11. ↑ Mielczarek 1993 ↓, s. 114, 127.
  12. ↑ a b c d Mielczarek 1993 ↓, s. 115.
  13. ↑ Mielczarek 1993 ↓, s. 117.
  14. ↑ Mielczarek 1993 ↓, s. 118.

Bibliografia

  • Wojciech Mielczarek, Szeregowe interfejsy cyfrowe, Gliwice: Helion, 1993, ISBN 83-85701-23-0.

Linki zewnętrzne

Interfejsy komputera
Ogólne
Standardy
Nośniki danych
Urządzenia peryferyjne
Urządzenia audio
Urządzenia przenośne
Wbudowane
  • Multidrop bus
  • CoreConnect
  • AMBA
  • Wishbone
  • SLIMbus

Media użyte na tej stronie

I2C data transfer.svg
Przesyłanie danych po magistrali I²C - przebieg czasowy S - bit starty; P - bit stopu; B - transmisja pojednyczego bitu; zmiany danych dozwolone przy niskim stanie sygnału zegarowego