Шины
Разрешение коллизий в I2С
Синхронная последовательная шина I2 С (Inter-Integrated Circuit – [протокол соединения] между интегральными схемами) широко применяется для соединения цифровых микросхем во встраиваемых приложениях [Paret-Fenger 1997]. Шина состоит из двух линий, строба и данных (рис. 9.16). Предполагается, что все подключенные к шине устройства имеют общие шины питания и нуля. Хотя бы одно из устройств шины должно быть ведущим (master).
Рис. 9.16. Временная диаграмма шины I2 С
Ведущее устройство генерирует стробовый сигнал и инициирует все передачи данных по шине. Частота строба может составлять 100 или 400 кГц или 1 МГц. Все передачи начинаются с того, что ведущий передает адрес целевого устройства. В зависимости от конфигурации адрес может состоять из семи или десяти бит. Восьмой или, соответственно, одиннадцатый бит адреса содержит указание на тип запроса: чтение или запись. Услышав свой адрес, ведомое устройство генерирует на линии стробового сигнала импульс подтверждения.
Импульса подтверждения может не последовать не только при отсутствии устройства с таким адресом, но и, например, если соответствующее устройство не готово принять или передать данные.
Если подтверждение все-таки последовало, начинается передача данных. Данные состоят из восьми бит. Если запрос был на чтение, данные передает ведомое устройство, если на запись – ведущее.
Спецификации I2 С допускают конфигурацию с несколькими ведущими. Чтобы избежать конфликтов, ведущее устройство генерирует стробовый сигнал только во время инициируемых им передач данных, в остальное же время тихо слушает линию и может, при запросе другого ведущего, стать ведомым.
Из-за того, что сигнал распространяется по шине с конечной скоростью, да и внутренняя логика ведущих устройств срабатывает не мгновенно, возможна ситуация, когда два ведущих с небольшим интервалом попытаются захватить шину. Эта ситуация называется коллизией (collision – дословно, столкновение). Протоколы арбитража большинства других шин считают коллизией любую попытку двух устройств одновременно вести передачу. I2 С предлагает более слабое определение коллизии – в соответствии со спецификациями этой шины, коллизия происходит, только когда ведущие пытаются выставить на шине данных разные значения. Таким образом, если два (или даже больше!) ведущих отправят один и тот же запрос одному и тому же ведомому, это не будет считаться коллизией!
Механизм арбитража, используемый I2 С, отличается крайней простотой.Ведущий, пытающийся выставить на линии данных 1 в то время, как другой ведущий пытается выставить там же 0, считается проигравшим арбитраж. Он должен остановить передачу и дождаться, пока победитель завершит обмен и освободит шину.
Важно подчеркнуть, что протокол арбитража не может просто объявить обоим устройствам, что дескать, случилась коллизия – если оба устройства прекратят передачу и, не предприняв более ничего, сделают вторую попытку, мы получим живую блокировку! Странное, на первый взгляд, определение коллизии принятое в I2 С, дает победителю арбитража возможность продолжить передачу после обнаружения коллизии, исключая, таким образом, для него возможность повторной коллизии после повторной попытки передачи, и, соответственно, исключая опасность живой блокировки.
Видно, что спецификации I2 С допускают ситуацию, когда два устройства пытаются установить на шине разные напряжения. Чтобы избежать при этом больших токов, стандарт устанавливает несколько необычный способ подключения устройств к шине (рис, 9.17). Устройство, пытающееся выставить 1, должно просто отключить свои выходные каскады – тогда через резистор Rp (для питания 5 В его сопротивление должно быть не менее 1.7 кОм) конденсатор Сb будет заряжен до напряжения питания. Только при попытке выставить ноль устройство должно пропускать через себя ток.
Рис. 9.17. Схема приемопередатчиков I2 С