Error Frame, Overload Frame

Каждое устройство, подключённое к шине, может быть программно адресовано по уникальному адресу.

Для выбора приемника сообщения ведущий использует уникальный адресную компоненту в формате посылки. При использовании однотипных устройств, ИС часто имеют дополнительный селектор адреса, который может быть реализован как в виде дополнительных цифровых входов селектора адреса, так и в виде аналогового входа. При этом адреса таких однотипных устройств оказываются разнесены в адресном пространстве устройств, подключенных к шине.

В обычном режиме используется 7-битная адресация.

Процедура адресации на шине I2C заключается в том, что первый байт после сигнала СТАРТ определяет, какой ведомый адресуется ведущим для проведения цикла обмена. Исключение составляет адрес "Общего вызова", который адресует все устройства на шине. Когда используется этот адрес, все устройства в теории должны послать сигнал подтверждения. Однако, устройства могут обрабатывать "общий вызов" на практике встречаются редко.

Первые семь битов первого байта образуют адрес ведомого. Восьмой, младший бит, определяет направление пересылки данных. "Ноль" означает, что ведущий будет записывать информацию в выбранного ведомого. "Единица" означает, что ведущий будет считывать информацию из ведомого.

После того, как адрес послан, каждое устройство в системе сравнивает первые семь бит после сигнала СТАРТ со своим адресом. При совпадении устройство полагает себя выбранным как ведомый-приёмник или как ведомый-передатчик, в зависимости от бита направления.

Адрес ведомого может состоять из фиксированной и программируемой части.

Часто случается, что в системе будет несколько однотипных устройств (к примеру ИМС памяти, или драйверов LED-индикаторов), поэтому при помощи программируемой части адреса становится возможным подключить к шине максимально возможное количество таких устройств. Количество программируемых бит в адресе зависит от количества свободных выводов микросхемы. Иногда используется один вывод с аналоговой установкой программируемого диапазона адресов, как это, к примеру, реализовано в ИМС SAA1064. При этом в зависимости от потенциала на этом адресном выводе ИМС, возможно смещение адресного пространства драйвера так, чтобы однотипные ИМС не конфликтовали между собой на общей шине.

Все ИМС, поддерживающие работу в стандарте шины I2C, имеют набор фиксированых адресов, перечень которых указан производителем в описаниях контроллеров.

Комбинация бит 11110ХХ адреса зарезервирована для 10-битной адресации.

В общем виде процесс обмена по шине от момента формирования состояния СТАРТ до состояния СТОП можно проиллюстрировать следующим рисунком :

Рисунок 6.19 Передача нескольких байт по шине I2C.

Как следует из спецификации шины, допускаются как простые форматы обмена, так и комбинированные, когда в промежутке от состояния СТАРТ до состояния СТОП ведущий и ведомый могут выступать и как приемник и как передатчик данных. Комбинированные форматы могут быть использованы, например, для управления последовательной памятью.

Во время первого байта данных можно передавать адрес в памяти, который записывается во внутренний регистр-защелку. После повторения сигнала СТАРТа и адреса ведомого выдаются данные из памяти. Все решения об авто-инкременте или декременте адреса, к которому произошел предыдущий доступ, принимаются конструктором конкретного устройства. Поэтому, в любом случае лучший способ избежать неконтролируемой ситуации на шине перед использованием новой (или ранее не используемой) ИМС следует тщательно изучить ее описание (datasheet), получив его с сайта производителя. Более того, производители часто размещают рядом более подробные инструкции по применению.

В любом случае, по спецификации шины все разрабатываемые устройства должны сбрасывать логику шины при получении сигнала СТАРТ или повторный СТАРТ и подготавливаться к приему адреса.

Тем не менее основные проблемы с использованием I2C шины возникают именно из-за того, что разработчики, "начинающие" работать с I2C шиной не учитывают того факта, что ведущий (часто - микропроцессор) не имеет монопольного права ни на одну из линий шины.

Арбитраж.

Мастер может начинать передачу только если шина свободна. Два и более мастера могут генерировать в состояние START почти одновременно. Следовательно, необходим арбитраж между ними для того, чтобы выяснить кто передаст свои данные. Для этого используется линия SDA. Она так же, как SCL выполнена по схеме монтажной &. Рассмотрим процедуру арбитража:

Рисунок 6.20 Арбитраж.

Как видно из рисунка, если данные, передаваемые мастером, не соответствуют состоянию шины, например, на втором такте состояние шины SDA не соответствует состоянию шины SDA1 поэтому передатчик автоматически отключается от шины (SDA1=1).

SPI

В SPI используются четыре цифровых сигнала:

Данный интерфейс по одной линии позволяет осуществлять ввод вывод информации. Протокол обмена по этому интерфейсу очень прост и легко реализуется программно практически на любых МК, есть и специальные микросхемы-адаптеры.

Рисунок 6.24 схема аппаратной реализации интерфейса 1-Wire.

Вывод DQ устройства представляет собой вход КМОП-логического элемента, который может быть зашунтирован (замкнут на общий провод) полевым транзистором. Сопротивление канала этого транзистора в открытом состоянии - около 100 Ом. Когда транзистор заперт - имеется небольшой ток утечки (примерно 5 мкА) на общий провод.
Шина 1-Wire должна быть подтянута отдельным резистором к напряжению питания устройств (которое, кстати, может быть от 3 до 5В- уточняется по характеристикам конкретного устройства). Сопротивление этого резистора 4.7 К, однако, это значение рекомендовано только для достаточно коротких линий. Если шина 1-Wire используется для подключения удаленных на большое расстояние устройств, то сопротивление этого резистора следует уменьшить. Минимально допустимое его сопротивление - около 300 Ом, а максимальное - около пары-тройки десятков килоом.
Подключение шины 1-Wire к МК показано условно в двух вариантах: с использованием 2 отдельных выводов МК (один в качестве выхода, а другой в качестве входа), так и одного, работающего и на ввод и на вывод. Разделение этих способов показано пунктирной линией, условно обозначающей границу корпуса МК. С некоторой натяжкой можно представить себе логическое строение шины 1-Wire как всем известное соединение выводов микросхем с открытым коллектором по схеме "монтажное И". Очевидно, что передача какой-либо информации при этом возможна только выдачей низкого уровня в линию, т.е. замыканием ее на общий провод, а в высокий логический уровень линия вернется сама, благодаря наличию внешнего подтягивающего резистора. Так же очевидно, что одновременная передача нескольких устройств обречена на неудачу из-за полного искажения информации (все передаваемые единицы одного устройства будут подавлены передаваемыми нулями от другого устройства).

Рассмотрим обмен информацией по шине 1-Wire.
1. Обмен всегда ведется по инициативе одного ведущего устройства, которое в большинстве случаев является микроконтроллером (МК).
2. Любой обмен информацией начинается с подачи импульса сброса ("Reset Pulse" или просто RESET) в линию 1-Wire ведущим устройством.
3. Для интерфейса 1-Wire в общем случае предусматривается "горячее" подключение и отключение устройств.
4. Любое устройство, подключенное к 1-Wire после получения питания выдает в линию DQ импульс присутствия, называемый "Presence pulse" (далее я буду использовать термин PRESENCE). Этот же импульс устройство всегда выдает в линию, если обнаружит сигнал RESET.
5. Появление в шине 1-Wire импульса PRESENCE после выдачи RESET однозначно свидетельствует о наличии хотя бы одного подключенного устройства.
6. Обмен информации ведется так называемыми тайм-слотами: один тайм-слот служит для обмена одним битом информации.
7. Данные передаются побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита.

8. Достоверность переданных/принятых данных (проверка отсутствия искажений) гарантируется путем подсчета циклической контрольной суммы.
На следующем рисунке показана диаграмма сигналов RESET и PRESENCE, с которых всегда начинается любой обмен данными. Кстати, выдача импульса RESET в процессе обмена служит для досрочного завершения процедуры обмена информацией.

Рисунок 6.25 Временная диаграмма импульсов RESET и PRESENCE. Как видим, длительность большинства временных интервалов очень приблизительная и имеет только ограничение только по минимуму (не меньше указанного). Условные обозначения линий, показанные на Рис. 2, будут использоваться и далее.
Импульс RESET формирует ведущий МК, переводя в низкий логический уровень шину 1-Wire и удерживая ее в этом состоянии минимум 480 микросекунд. Затем МК должен "отпустить" шину. Через некоторое время, зависящее от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, в линии установится высокий логический уровень. Протокол 1-Wire ограничивает это время "релаксации" диапазоном от 15 до 60 микросекунд, что и является определяющим для выбора подтягивающего резистора (как правило, емкость линии мы менять существенно не можем, а именно она оказывает существенное влияние на время возврата линии к высокому уровню).
Обнаружив импульс RESET, ведомое устройство приводит свои внутренние узлы в исходное состояние и формирует ответный импульс PRESENCE, как следует из рисунка - не позже 60 микросекунд после завершения импульса RESET. Для этого устройство переводит в низкий уровень линию DQ и удерживает ее в этом состоянии от 60 до 240 микросекунд. Конкретное время удержания зависит от многих параметров, но всегда находится в указанном диапазоне. После этого устройство так же "отпускает" шину.
После завершения импульса PRESENCE устройству дается еще некоторое время для завершения внутренних процедур инициализации, таким образом, МК должен приступить к любому обмену с устройством не ранее, чем через 480 микросекунд после завершения импульса RESET.
Итак, процедура инициализации интерфейса, с которой начинается любой обмен данными между устройствами, длится минимум 960 микросекунд, состоит из передачи от МК сигнала RESET и приему от устройства сигнала PRESENCE. Если сигнал PRESENCE не обнаружен - значит на шине 1-Wire нет готовых к обмену устройств.

Теперь рассмотрим процедуры обмена битами информации, которые, как вы помните, осуществляются определенными тайм-слотами. Тайм-слот - это по существу определенная, довольно жестко лимитированная по времени последовательность смены уровней сигнала в линии 1-Wire. Различают 4 типа тайм-слотов (я буду использовать термин МК, как синоним "ведущего устройства" и просто "устройство", как синоним "ведомого"): передача "1" от МК, передача "0" от МК, прием "1" от устройства и прием "0" от устройства.
Любой тайм-слот всегда начинает МК путем перевода шины 1-Wire в низкий логический уровень. Длительность любого тайм-слота должна находиться в пределах от 60 до 120 микросекунд. Между отдельными тайм-слотами всегда должен предусматриваться интервал не менее 1 микросекунды (конкретное значение определяется параметрами ведомого устройства).
Тайм-слоты передачи отличаются от тайм-слотов приема поведением МК: при передаче он только формирует сигналы, при приеме, кроме того, еще и опрашивает (т.е. принимает) уровень сигнала в линии 1-Wire. Следующй рисунок демонстрирует временные диаграммы тайм-слотов всех 4-х типов: вверху показаны тайм-слоты передачи от МК, внизу - приема от устройства.

Рисунок 6.26-Тайм слоты

Тайм-слот передачи "0" заключается просто в удержании шины 1-Wire в низком уровне в течение всей длительности тайм-слота. Передача "1" осуществляется путем "отпускания" шины 1-Wire со стороны МК не ранее чем через 1 микросекунду после начала тайм-слота, но не позже чем через 15 микросекунд. Ведомое устройство опрашивает уровень в шине 1-Wire в течение временного интервала, условно показанного в виде серого прямоугольника, т.е. начиная с 15-й микросекунды от начала тайм-слота и заканчивая 60-й микросекундой от начала. Типичный момент ввода уровня в устройство (т.е. характерный для большинства устройств) - около 30-й микросекунды от начала тайм-слота. Заштрихованная область - это область "нарастания" уровня в шине 1-Wire, которая зависит от емкости линии и сопротивления подтягивающего резистора, она приведена для справки. Тайм-слоты приема информации отличаются тем, что МК формирует только начало тайм-слота (абсолютно так же, как при передаче "1"), а затем управление уровнем шины 1-Wire берет на себя устройство, а МК осуществляет ввод этого уровня так же в определенной зоне временных интервалов. Зона эта, как видно из рисунка, довольно мала. Как и раньше, заштрихованная область - область неопределенности, поэтому для ввода, собственно говоря, контроллеру остается даже не промежуток, а скорее конкретный момент, когда он должен ввести уровень сигнала из линии. Этот момент времени - 14-я или 15-я микросекунда от начала тайм-слота. Разумеется, если линия имеет малую емкость, а подтягивающий резистор мал, зона опроса несколько расширяется.

Важно понимать, что следует очень тщательно подходить к обеспечению в шине 1-Wire требуемых временных интервалов, т.к., например, увеличение длительности тайм-слота вывода "0" свыше рекомендованного значения может привести к ошибочному восприятию этого тайм-слота, как сигнала RESET, и, разумеется, после этого вся процедура обмена пойдет насмарку.

Разобравшись с процедурами обмена битами, пора приступать к более высокому уровню протокола обмена информацией, и для этого необходимо рассмотреть принципы адресации устройств и управления ими.
Каждое устройство 1-Wire обладает уникальным идентификационным 64-битным номером, программируемым на этапе производства микросхемы. Уникальным - это значит, что фирма-производитель гарантирует, что не найдется двух микросхем с одинаковым идентификационным номером (по крайней мере в течении нескольких десятков лет при существующих темпах производства).
При рассмотрении протокола обмена мы будем исходить из принципа, что на шине 1-Wire имеется более одного устройства. В этом случае перед МК встают 2 проблемы: определение количества имеющихся устройств и выбор (адресация) одного конкретного из них для обмена данными. Решение первой проблемы осуществляется двумя путями: универсальным и простым.

Универсальный рассмотрим с командой поиск ПЗУ. А более простой заключается в том, что номера всех используемых в вашей схеме 1-Wire-устройств вы должны знать заранее, и просто использовать их как константы в вашей программе.

Номера некоторых устройств нанесены прямо на корпусе микросхем (например, для устройств iButton - всем известных ключей-таблеток), а номера других можно определить при помощи специальных программ или устройств.

Алгоритм передачи данных по шине 1-Wire следующий. После передачи импульса RESET микроконтроллер передает на шину команду. Данные команды называются команды ПЗУ.

Команда “Чтение ПЗУ” может использоваться на шине с одним подчиненным для чтения 64-разр. индивидуального ИК. Если имеется несколько подчиненных устройств, подключенных к шине, то результатом выполнения этой команды будет прием значения, эквивалентного логическому И между всеми ИК. При этом полагается, что связь безупречная, а наличие нескольких подчиненных индицируется ошибочным CRC.

Команда «Пропуск ПЗУ» может использоваться, если нет необходимости адресоваться к конкретному подчиненному устройству по его специфическому адресу. На шине с одним подчиненным команда “Пропуск ПЗУ” прекрасно подходит для его адресации. На шине с несколькими подчиненными команда “Пропуск ПЗУ” может использоваться для адресации всех устройств одновременно.

Это удобно, если требуется отправить общую команду нескольким подчиненным устройствам, например, одновременный запуск преобразования температуры в нескольких датчиках температуры. Команду “Пропуск ПЗУ” бессмысленно использовать при чтении шины с несколькими подчиненными устройствами.

Команда “Совпадение ПЗУ” используется для адресации конкретного подчиненного устройства на шине.

После выполнения команды “Совпадение ПЗУ” передается 64-разрядный ИК. По завершении, только тому подчиненному устройству, который принял свой ИК, разрешается отвечать после приема следующего импульса сброса.

Команда “Поиск ПЗУ” может использоваться, если идентификаторы подчиненных устройств неизвестны заранее. Это делает возможным обнаружить идентификаторы всех подчиненных устройств, подключенных к шине. Для этого, вначале передается команда “Пропуск ПЗУ”. Каждый подчиненный размещает первый бит своего идентификатора на шине. Ведущий считывает результат, как логическое И над всеми первыми битами идентификаторов всех подчиненных устройств. Затем подчиненные размещают на шине двоичное дополнение к первому биту своего идентификатора. Ведущий считывает состояние шины, которое есть результат логического «И» над всеми дополнениями к первому биту идентификатора всех подчиненных устройств. Если все устройства в первом разряде ИК содержат 1, то ведущий считает 10b. Аналогично, если значения 1 разряда всех устройств равно 0, то ведущий примет 01b. В этих случаях, бит может быть сохранен как значение первого бита всех адресов. После этого ведущий снова выполняет размещение этого бита на шине, чем сигнализирует подчиненным о необходимости дальнейшего продолжения передачи разрядов ИК. Если на шине будут присутствовать устройства, как с лог. 0, так и с лог. 1 в первом бите идентификатора, то ведущий примет 00. В этом случае, ведущий должен выбрать с какими адресами продолжать работу, с лог. 0 или 1 в первом разряде. Выбор передается по шине, указывая выбранным подчиненным о необходимости дальнейшей передачи ИК, а остальные подчиненные переходят в режим ожидания.

Затем ведущий переходит к считыванию следующих бит и этот процесс повторяется до считывания всех 64 бит. В результате ведущий обнаруживает полный 64-разрядный идентификатор. Для поиска других идентификаторов необходимо снова инициировать команду «Поиск ПЗУ», но в этом случае при возникновении несоответствий сделать другой выбор. Если придерживаться данной последовательности, то, в конечном счете, можно обнаружить все подчиненные устройства. Обратите внимание, что после выполнения первого поиска все подчиненные, кроме одного, переходят в режим ожидания. Таким образом, в этом состоянии связаться с активным подчиненным можно с помощью команды «Совпадение ПЗУ».

Последовательность связи по протоколу 1-Wire.

1. Ведущий отправляет импульс «сброс».

2. Подчиненные отвечают импульсом «RESENCE»

3. Ведущий отправляет команду ПЗУ, адресуя одно или несколько подчиненных устройств.

4. Ведущий отправляет команду памяти или команду функции.

Команды памяти/функций

Команды памяти/функций – команды, которые специфичны для конкретного типа ИС или их класса. Обычно эти команды относятся к чтению или записи внутренней памяти и регистров подчиненных ИС. Количество таких команд фиксировано, но все они поддерживаются конкретным видом подчиненного устройства. Последовательность чтения и записи определена для каждой ИС. В связи с этим команды памяти здесь в подробностях не рассматриваются.