Занимательная микроэлектроника полностью

Кратко расшифруем эту диаграмму. Любой сеанс передачи по протоколу I²С начинается с состояния линии, именуемого Start (когда состояние линии SDA меняется с логической единицы на нуль при высоком уровне на линии SCL). Start может выдаваться неоднократно (тогда он называется «повторный старт»). Заканчивается сеанс сигналом Stop (состояние линии SDA меняется с логического нуля на единицу при высоком уровне на линии SCL). Между этими сигналами линия считается занятой, и только ведущий (тот, который выдал сигнал Start) может управлять ей (подробнее см. в [2]). Сама информация передается уровнями на линии SDA (в обычной положительной логике), причем смена состояний может происходить только при низком уровне на SCL, при высоком уровне на ней происходит считывание значения бита. Любая смена уровней SDA при высоком уровне SCL будет воспринята либо как Start, либо как Stop.

Процесс обмена всегда начинается с передачи ведущим байта, содержащего 7-битовый адрес (начиная со старшего разряда). Восьмой (младший!) бит называется R/W и несет информацию о направлении обмена: если он равен «0», то далее ведущий будет передавать информацию (W), если равен «1» — читать (R), т. е. ожидать данные от ведомого. Все посылки (и адресные, и содержащие данные) всегда сопровождаются девятым битом, который носит название «бит квитирования». Во время действия этого девятого тактового импульса адресуемое устройство (т. е. ведомый, который имеет нужный адрес при передаче адреса, или ведущий, если данные направлены к нему, и т. п.) обязан сформировать ответ (АСК) низким уровнем на линии SDA. Если такого ответа нет (NACK), то можно считать, что данные не приняты, и фиксировать сбой на линии. Иногда устройства не требуют отсылки бита АСК, и это учтено в процедурах, которые рассмотрены далее.

Заметим, что сигналы SCL совершенно необязательно должны представлять собой равномерный меандр со скважностью 2 — период их следования в принципе ничем не ограничен, кроме «терпения» приемника, который, естественно, ждет сигнала какое-то ограниченное время (иначе при нарушении протокола программа может зависнуть). Более подробно мы разбирать протокол не будем, так как вы легко можете найти его изложение в описании любого устройства, которое этот протокол поддерживает (в том числе и в описаниях AVR, изложенных по-русски в книге [2]).

Как видим, организовать обмен по протоколу I²С непросто, но это есть цена за универсальность и простоту электрической схемы. Большинство современных устройств с интерфейсом I²С могут работать с тактовой частотой до 400 кГц, но в силу не слишком высокой помехоустойчивости такой линии максимальные частоты лучше использовать только тогда, когда микросхемы установлены на одной плате недалеко друг от друга. При соединении проводами (например, МК с каким-нибудь датчиком) лучше ограничиться частотами до 100 кГц, а при длинных линиях связи (провода в полметра длиной и более) частоту обмена стоит снижать до 10–30 кГц.

Организовать обмен по интерфейсу I²С можно различными способами, и еще недавно это была исключительно программная эмуляция протокола. AVR семейства Mega (и только этого семейства) имеют I²С (TWI), реализованный аппаратно. Реализация эта, впрочем, не очень удобна, потому что не избавляет от необходимости «ручного» отслеживания различных этапов обработки сигнала, в результате чего программа получается не менее громоздкой, чем при программной эмуляции. Еще один способ — использование прерывания, которое связано с TWI, тогда можно разгрузить контроллер от многочисленных задержек (передача одного байта длится примерно 0,1 мс). В дальнейшем, чтобы не распыляться, мы будем применять более универсальную программную эмуляцию, которая имеет и некоторые преимущества: позволяет произвольно выбирать выводы для соединения (какие удобно, а не какие заданы аппаратной реализацией) и годится для абсолютно всех МК AVR, а не только для тех Mega, что имеют встроенный TWI. Единственное, чего мы лишимся — возможности «будить» контроллер, находящийся в «спящем» режиме (см. главу 17) обращением к нему через TWI, но нам это будет не нужно, т. к. контроллер всегда у нас находится в режиме ведущего. В фирменных Application Notes есть изложение процедуры программной эмуляции, но, как водится, с ошибкой в реализации.

Наша задача будет формулироваться так: есть контроллер, и есть некое (одно или более) внешнее устройство. Нам надо прочесть/записать данные. Контроллер тут всегда будет выступать, как Master, а устройство — как Slave. Для того чтобы программно эмулировать протокол I²С, нам тогда придется сначала решить вопрос о том, как формировать тактирующую последовательность на линии SCL.