I²C

Disain

I²C kasutab vaid kahte kahesuunalist avatud kollektoriga ühendust, milleks on andmesiin ja kellatakt. Lisaks omab see ka pull-up takisteid. Nimetatud liidese pinge on tavaliselt +5 V või +3,3 V, kuigi lubatud on ka muude pingetega süsteemid.
I²C näidisdisainil on 7- või 10-bitine (olenevalt kasutatavast seadmest) aadressiruum. Kõige tavalisem kiirus, millega seda siini kasutatakse, on 100 kbit/s standardrežiimis ja 10 kbit/s madala kiirusega režiimis, kuigi on lubatud ka meelevaldselt madalad kiirused. Hiljutised I²C siini redigeerimised on muutnud võimalikuks suurema hulga sõlmede kasutamist ning võimaldanud suuremate kiiruste kasutamist (400 kbit/s kiirtöörežiim, 1 Mbit/s kiirtöörežiim plussis ja 3,4 Mbit/s kiireimas töörežiimis).
Tuleb silmas pidada, et andmevahetuskiirused, mida eespool mainiti, on infovahetus ülem- ja alamseadmete vahel ning ilma taktivenituseta või muude riistvara kulutusteta. Protokolli kulutuste alla kuuluvad alama aadress ja mõni kord ka registri aadress alam-seadmes, samamoodi ka baidi ACK/NACK bitid. Sellest tulenevalt on kasutaja kasuliku andmemahu kiirus väiksem kui seadmete vahel toimuv suhtluskiirus. Näiteks kui iga suhtlus alamseadmega lubaks saata vaid ühte baiti infot saaksime kasuliku infovahetuskiiruse vaid poole seadmete vahelisest suhtluskiirusest.
Maksimaalne sõlmede hulk on piiratud aadressiruumi ning ka maksimaalse siini mahtuvuse poolt (400 pF), mis piirab praktiliselt kasutatava siinipikkuse paari meetri peale.

Taktivenitamine kasutades SCL-i

Üks I²C protokolli tähtsamatest omadustest on taktivenitamine. See tähendab, et adresseeritud alamseadeldis võib pärast biti saatmist või saamist SCL liini all hoida. Sedasi annab ta märku, et ei ole veel valmis rohkem infot töötlema. Ülemseade mis alamaga suhtleb ei või käesoleva biti vahetamist lõpetada ning peab alati ootama kuni taktiliin läheb üles. Kui alamseadeldis teeb taktivenitamist siis jääb avatud kollektori tõttu liin madalaks. Sama on tõsi ka siis kui teine, aeglasem ülemseade üritab takti samal ajal anda. (Kui tegemist on rohkem kui ühe ülemseadmega siis tavaliselt kaotavad kõik ülemseadmed peale ühe "läbirääkimised".)
Ülemseade peab alati ootama kuni taktisiin läheb kõrgeks ning ootama lisaks miinimumaja enne kui ta takti uuesti madalaks tõmbab.
Kuigi ka ülemseadeldis võib SCL-i nii kaua madalal hoida kui ta soovib läheb "Taktivenitusena" kirja tavaliselt vaid olukord kus seda teeb alamseadeldis. Teoorias võib iga taktipulssi venitada, kuid üldiselt tehakse seda enne või pärast ACK/NACK bitti. Näiteks kui alamseadeldis on mikrokontroller, siis selle I²C liides venitab takti pärast iga baiti, kuni tarkvara otsustab, kas saata ACK- või NACK-bitt.
Taktivenitus on ainus aeg, kus reaalselt I²C siin on juhitud alamseadme poolt. Paljud alamseadmed ei vaja üldse taktivenitust ning seega kohtlevad SCL rangelt sisendina. Tihti puudub riistvaraline võimekus seda üldse teha. Mõnedel ülemseadmetel nagu näiteks mõned ASIC-ud (Application-specific integrated circuit e toimingukohased integraalskeemid) ei oma üldse tuge taktivenitamisele. Selliseid seadmed on tihti nimetatud kahejuhtmeliidesteks, mitte I²C.

Läbirääkimised SDA kasutamisega

Iga ülemseadeldis jälgib siini start ja stop bitte ega alusta kunagi oma andmevahetust seni, kuni teine ülemseadeldis siini töös hoiab. On aga võimalus, et kaks ülemseadeldist alustavad ülekannet samal ajal. Sel juhul toimuvad läbirääkimised. Alamseadmete infovahetust saab ka läbi rääkida juhul, kui ülemseadeldis adresseerib mitut alamat korraga, kuid see pole kuigi tavaline. Erinevalt näiteks Etherneti protokollile mis kasutab juhusliku taganemise viivitust enne uuesti proovimist. I²C-l on deterministlik läbirääkimiste meetod. Iga saatja kontrollib infoliini (SDA) kõrgust ning võrdleb seda tasemetega mida ta ootab. Kui need ei kehti on saatja oma õigused kaotanud ning lõpetab suhtluse.
Kui üks saatjatest seab SDA liini ühe peale ehk ei tõmba seda madalaks ja ning teine saatja seab selle nulli peale (ehk tõmbab madalaks) on tulemuseks olukord kus liin on madal. Esimene saatja näeb, et liin on teistsugune kui ta ootaks ning seega järeldab, et teine sõlm on töös. Esimene sõlm, mis sellist erinevust märkab kaotab läbirääkimised ehk lõpetab SDA siini juhtimise. Kui seda tegev on ülemseadeldis siis ka tema lõpetab SCL liini juhtimise ning ootab stoppi. See järel võib ülemseade uuesti proovida kogu sõnumi saatmist. Samal ajal teine sõlm ei ole SDA liinil eeldatud ja päris tasemete vahel mingit erinevust märganud seega jätkab ülekannet.
Kui kaks ülemseadeldist saadavad sõnumit kahele erinevale alamale, siis see, kelle alama aadress on madalam saab alati aadressi tasemel õiguse. Kuna kaks ülemseadeldist võivad sõnumi saata ka samadele alam-aadressidele ning üks aadress vihjab vahepeal mitmele alamale peab läbirääkimisvõimalus alles jääma ka info ülekandmise ajal.
Iseenesest toimub läbirääkimine üpris harva, kuid on tarvis korralikuks mitme ülemaga suhtluseks. Samamoodi nagu taktivenitamisega, ei toeta seda kõik seadmeid. Seadmeid, mis toetavad mitme ülemseadme suhtlust, nimetatakse mitme ülemseadme toega ("multi-master") seadmeteks.
Sel üliharuldasel juhul, kui kaks ülemseadet saadavad samal ajal identse sõnumi, tunnistatakse kommunikatsioon õnnestunuks, kuid alamseade saab kätte vaid ühe sõnumi. Alamseadmed mis suudavad suhelda mitme ülemaga omavad see tõttu idempotentseid lisakäske.

Puhvedamine ja multipleksimine

Kui ühe siini küljes on palju I²C seadmeid, võib tekkida vajadus lisada puhvreid või multipleksereid, et suuri siini osasid väiksemateks segmentideks jagada. See võib olla vajalik nii mahtuvuse vähendamiseks kui ka mitme sama aadressiga seadme lisamiseks siinile. On palju multipleksereid ja puhvreid, kuid need kõik peavad arvestama fakti, et I²C siin on kahesuunaline. Multipleksereid võib lisada ka analooglülititega, mille abil saab ühe osa teisega siduda. Analooglülitid säilitavad siini kahesuunalisuse, kuid ei isoleeri osade mahtuvust teineteisest ega paku ka puhvri võimalusi.
Kahe suunalise suhtluse liinid nagu I²C vajavad erilisi puhvreid, et takistada "latch-up'i". Selleks on mitmeid võimalusi: I²C on avatud kollektoriga seega puhver peab madala poole madalaks tõmbama ka siis, kui see on teisel pool madal. Üks meetod "latch-up'i" ära hoidmiseks on valida puhver, mille sisend- ja väljundtasemed on üles ehitatud nii, et väljundi tase oleks draiveril kõrgem kui sisendi lävi. See takistab puhvril ise enda väljundi muutuse peale väljundi muutuse. Näiteks võib puhvri sisendi lävi olla 0,4 V, et madalat tuvastada, kuid väljundi tase on 0,5 V. Sellise meetodi kasutamine nõuab seda, et kõik teised seadmed teisel pool puhvrit oleks sobivad väljundtasemega. Lisaks tähendab eespool nimetatu, et mitut puhvrit ei saa järjestikku üksteise otsa panna.
Teise võimalusena on olemas puhvrid, mis töötavad kui vooluvõimendid või peavad meeles oma eelmise asendi, et "latch-up-i" ära hoida.