Реализации синхронного интерфейса

Одним из наиболее часто применяемых протоколов синхронного обмена является протокол I²C, разработанный фирмой Philips. Последовательный интерфейс I²C обеспечивает двунаправленную передачу данных между парой устройств, используя два сигнала: данные SDA (Serial Data) и синхронизацию SCL (Serial Clock). В обмене участвуют два устройства — ведущее (Master) и ведомое (Slave). Каждое из них может выступать в роли передатчика, помещающего на линию SDA информационные биты, или приемника. Протокол обмена иллюстрирует рисунок 3.3.

Рисунок 3.3. Протокол обмена по интерфейсу I²C

Синхронизацию задает ведущее устройство — контроллер. Линия данных — двунаправленная с выходом типа “открытый коллектор” — управляется обоими устройствами поочередно. Частота обмена (не обязательно постоянная) ограничена сверху величиной 100 кГц для стандартного режима и 400 кГц для скоростного, что позволяет организовать программно-управляемую реализацию контроллера интерфейса.

Начало любой операции — условие Start — инициируется переводом 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. При передаче данных состояние линии SDA может изменяться только при низком уровне SCL, биты данных стробируются положительным перепадом SCL. Каждая посылка 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 нулевой бит подтверждения ACK. После передачи бита подтверждения приемник может задержать следующую посылку, удерживая линию SCL на низком уровне. Приемник также может замедлить передачу по шине на уровне приема каждого бита, удерживая SCL на низком уровне после его спада, сформированного передатчиком.

Каждое ведомое устройство имеет свой адрес, разрядность которого по умолчанию составляет 7 бит. Адрес А[6:0] передается ведущим устройством в битах [7:1] первого байта, бит 0 содержит признак операции RW(1 — чтение, 0 —запись). 7-битный адрес содержит две части: старшие 4 бита А[6:3] несут информацию о типе устройства (например, для EEPROM — 1010), а младшие 3 бита А[0:2] определяют номер устройства данного типа. Многие микросхемы с интерфейсом I²С имеют три адресных входа, коммутацией которых на логические уровни 1 и 0 задается требуемый адрес. Некоторые значения полного адреса зарезервированы. Общий вызов позволяет включившемуся устройству заявить о себе широковещательным способом. Байт Start предназначен для привлечения внимания процессора к интерфейсу, если в устройстве он организован программным (не аппаратным), способом. До получения этого байта микроконтроллер устройства не опрашивает состояние и не следит за сигналами интерфейса. При использовании 10-битной адресации биты [2:1] содержат старшую часть адреса, а младшие 8 бит будут переданы в следующем байте, если признак RW=0. Адрес ведомого устройства и тип обращения задается контроллером при инициировании обмена. Обмен с памятью иллюстрирует рисунок 3.4.

Рисунок 3.4. Обмен с памятью по интерфейсу I²C:

а. Запись данных

б. Чтение данных с текущего адреса

в. Чтение данных с произвольного адреса

Здесь SA[0:2] — адрес устройства, DA[0:7] — адрес данных, D[0:7] — данные, W — признак записи (0), R — признак чтения (1) Выполнив условие Start, контроллер передает байт, содержащий адрес устройства и признак операции RW, и ожидает подтверждения. При операции записи следующей посылкой от контроллера будет 8-битный адрес записываемой ячейки, а за ней — байт данных (для микросхем объемом памяти более 256 байт адрес ячейки посылается двумя байтами). Получив подтверждения, контроллер завершает цикл условием Stop, а адресованное устройство может начать свой внутренний цикл записи, во время которого не реагирует на сигналы интерфейса. Контроллер проверяет готовность устройства посылкой команды записи (байт адреса устройства) и анализом бита подтверждения, формируя затем условие Stop. Если устройство откликнулось битом подтверждения, значит, оно завершило внутренний цикл и готово к следующей операции.

Операция считывания инициируется так же, как и запись, но с признаком RW=1. Возможно чтение по заданному адресу, по текущему адресу или последовательное. Текущий адрес хранится во внутреннем счетчике ведомого устройства, он содержит увеличенный на единицу адрес ячейки, участвовавшей в последней операции.

Получив команду чтения, устройство дает бит подтверждения и посылает байт данных, соответствующий текущему адресу. Контроллер может ответить подтверждением, тогда устройство пошлет следующий байт (последовательное чтение). Если на принятый байт данных контроллер ответит условием Stop, операция чтения завершается (случай чтения по текущему адресу). Начальный адрес для считывания контроллер задает фиктивной операцией записи, в которой передается байт адреса устройства и байт адреса ячейки, а после подтверждения приема байта адреса снова формируется условие Start и передается адрес устройства, но уже с указанием на операцию чтения. Так реализуется считывание произвольной ячейки (или последовательности ячеек).

Интерфейс позволяет контроллеру с помощью пары сигналов обращаться к любому из 8 однотипных устройств, подключенных к данной шине и имеющих уникальный адрес (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5. Подключение устройств к контроллеру I²C

При необходимости увеличения количества устройств возможно подключение групп. При этом допустимо как использование общего сигнала SCL и раздельных сигналов SDA (двунаправленных), так и общего сигнала SDA и раздельных однонаправленных сигналов SCL Для обращения к одной из нескольких микросхем (или устройств), не имеющих выводов для задания собственного адреса, также применяют разделение линий SCL (или SDA).

Протокол I²C позволяет нескольким контроллерам использовать одну шину, определяя коллизии и выполняя арбитраж. Эти функции реализуются достаточно просто: если два передатчика пытаются установить на линии SDA логические уровни сигналов, то “победит” тот, который установит низкий уровень. Передатчик следит за уровнями управляемых им сигналов и при обнаружении несоответствия (передает высокий уровень, а “видит” низкий) отказывается от дальнейшей передачи. Устройство может инициировать обмен только при пассивном состоянии сигналов. Коллизия может возникнуть лишь при одновременной попытке начала обмена — как только конфликт обнаружен, “проигравший” передатчик отключится, а “победивший” продолжит работу.

Кроме интерфейса I²C также получил широкое распостранение интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface), главным отличием которого является то, что он содержит три линии, одна из которых используется для синхронизации, а две других — для обмена (одна — на прием, одна — на передачу).

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: