Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Разумеется, чтобы различить несколько устройств, каждое из них обязано иметь индивидуальный адрес. Он задается 7-битным кодом (восьмой бит байта адреса служит для других целей, как мы увидим), потому-то всего таких устройств на одной линии может быть 128. Адрес этот часто задается еще изготовителем, хотя в самом AVR он может быть, разумеется, задан программно, но для наших целей это не потребуется, и вот почему.

Для того чтобы избежать конфликтов, во всех таких протоколах какое-то одно устройство может выставить себя главным (Master, ведущий). Оно может тогда инициализировать процесс обмена данными, выставляя на шину адрес того устройства, от которого желательно получить информацию — ведомого (Slave, что значит «слуга»). Все остальные устройства при этом «молчат», и таким образом налаживается двусторонний обмен. В принципе «мастером» может объявить себя любое устройство, но в простейшем случае это, естественно, микроконтроллер, а ведомыми при этом выступают другие микросхемы. При этом ведущему необязательно иметь свой собственный адрес, т. к. только он обращается к другим, к нему же не обращается никто, и выделять его с помощью специального адреса тогда не требуется.

Типовой вариант обмена информацией по интерфейсу I 2С показан на рис. 16.3.

Рис. 16.3. Обмен информацией по интерфейсу I 2С

Кратко расшифруем эту диаграмму. Любой сеанс передачи по протоколу I 2С 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 I 2С непросто, но это есть цена за универсальность и простоту электрической схемы. Большинство современных устройств с интерфейсом I 2С 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 I 2С можно различными способами, и еще недавно это была исключительно программная эмуляция протокола. AVR семейства Mega (и только этого семейства) имеют I 2С (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 I 2С, нам тогда придется сначала решить вопрос о том, как формировать тактирующую последовательность на линии SCL.

В принципе это можно сделать с помощью таймера, но на самом деле это неудобно: и таймеры обычно заняты более полезными делами, и нет туг у нас каких-то жестких требований ни к стабильности, ни к форме сигнала. Потому мы воспользуется древним, как сами микропроцессоры, способом формирования временной задержки с помощью пустого цикла. Так как время выполнения всех команд точно известно, то этот способ для формирования импульса определенной длительности ничуть не хуже любого другого, а когда в МК еще не было никаких таймеров, он вообще был единственным доступным способом для таких целей.

Для формирования импульса воспользуемся счетчиком cnt(пусть это будет регистр из числа старших — от r16до r31). Пустой цикл, повторенный NNраз, тогда запишется так: