I²C

 
I²C ([i-ruut-c] või [i-kaks-c], ka "kahejuhtmeliides") on mitme võimaliku ülemaga jadasiin, mis leiutati Philipsi poolt ning mida kasutatakse väikese kiirusega perifeeria seadmete ühendamisel emaplaatide, manussüsteemide, mobiiltelefonide või muude seadmetega.
Alates 2006. aastast ei ole vaja I²C protokolli kasutamiseks litsentsi osta, kuid omandamaks alluva aadressi, peab maksma tasu NXP-le (varem tuntud kui Philipsi pooljuhtelektroonika divisjon).
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.
Näidisdisain.
Eelnevalt mainitud näidisdisain on siin koos takti ja data liinidega ning koos 7-bitise adresseerimisega. Siinil on sõlmedele kaks töörežiimi: ülem ja alam:
See siin võimaldab mitme ülemsõlme olemasolu. Lisaks võib ülem- ja alam-rolle andmepakettide vahel muuta (pärast seda, kui STOP on saadetud).
Igal siini seadmel on neli võimalikku töörežiimi, kuigi suurem osa seadmeist kasutab vaid ühte rolli ja selle kahte töörežiimi:
Ülemseade on algselt ülem saatmisrežiimis saates stardi biti ning sellele järgnevalt seitsme biti pikkuse aadressi alamseadmest millega ta soovib suhelda. Seejärel järgneb üksik bitt, mis annab teada, kas ülemseade soovib alamseadmele kirjutada(0) või sellelt lugeda(1).
Kui vastava aadressiga alamseadeldis on siinil olemas, siis ta vastab ACK bitiga (active low for acknowledged ehk aktiivne madal tunnistamisest) selle aadressi kohta. Seejärel jätkab ülemseade kas saatmis- või vastuvõtmisrežiimis (olenevalt varem saadetud lugemis/kirjutamis bitist) ning seejärel jätkab alam ülemale vastavas režiimis.
Aadressi ja info baidid saadetakse kõige kõrgem bit esimesena. Algusbitti näitab SDA kõrgest olekust madalale üleminek samal ajal kui SCL on kõrge ning stop bitti näitab SDA madalast olekust kõrgele üleminek samal ajal kui SCL on kõrge.
Kui ülemseade soovib kirjutada siis saadetakse alamale korduvalt bait ning samal ajal saadab alam vastu ACK biti.
Kui ülem soovib baiti lugeda, siis saadab alam seda korduvalt ning ülem vastab ACK bitiga peale igat baiti välja arvatud viimase korral.
Seejärel lõpetab ülemseadeldis ülekande stop bitiga või võib ka saata uue START biti, kui ta soovib siini endale hoida ning uut ülekannet alustada.
Suhtlusprotokoll.
I²C defineerib kolme põhitüüpi sõnumid millest igaüks algab stardiga ning lõppeb stop-iga:
Kui tegemist on kombineeritud infovahetusega, siis iga kirjutamine hakkab stardi ning alama aadressi saatmisega. Peale esmast starti ei tule stop bitt vaid järgneb uus start bit. Selle käitumise tõttu teavad alam-seadmed et järgmine info saatmine/vastuvõtmine on eelnevaga samasse paketti kuuluv.
Mistahes alluv seadeldis reageerib vaid siis, kui ülem seadeldis adresseerib teda dokumentatsioonis määratud aadressi kasutades.
Riistvaratase.
Riistvara tasemel on nii SCL (Serial Clock line) kui SDA (Serial Data line) avatud kollektori disainiga, seega on tarvis pull-up takisteid. Liini madalaks tõmbamine tähendab loogilist nulli ning seda seadmete poolt hõljuma jättes on tulemus loogiline üks. See võte on kasutusel kui kanali ligipääsumeetod. Suure andmevahetus kiirusega süsteemid lisavad ka vooluallika mis toetab kiiremat pinge tõusu ning suuremat siini mahtuvust.
Üks tähtis tagajärg tulenevalt avatud kollektorist on see, et ühte liini võivad korraga juhtida mitu sõlme. Kui mingi sõlm on liini madalaks tõmmanud, siis see on madal, ja kõik sõlmed, mis üritavad liini kasutada, saavad sellest teada. Seega nad teavad, et mõni muu sõlm on parasjagu aktiivne.
Kui seda kasutatakse SCL-i peal ,siis on tegemist "takti venitamisega", ning sedasi saavad alamseadmed kiirust kontrollida. Kui sama meetodit kasutatakse SDA peal, siis on tegemist läbirääkimisega tagamaks olukorda, kus on ainult üks aktiivne infovahetus korraga.
Kui suhtlussiin on parasjagu vaba, on mõlemad liinid kõrged (seda kuna pull-up takistite abil tõmmatakse pinge üles ning ükski seadeldis ei tõmba pinget alla). Infovahetuse alustamiseks tõmmatakse SDA madalaks samal ajal kui SCL jääb kõrgeks. Kui SDA vabastataks oleks see stop markeriks, mis annaks teada, et siini andmevahetus on lõppenud. Kuigi see on lubatud käitumine on see üldiselt mõttetu ning üldiselt on järgmiseks sammuks SCL madalale tõmmata.
Välja arvatud start ja stopp signaalide korral, muutub SDA ainult siis, kui takt on madal. Info biti saatmine koosneb takti saatmisest hoides samal ajal info liini soovitud tasemel.
Kuni SCL on madal, saatja (esialgselt ülem) esitab SDA soovitud väärtuse ja (pärast väikest viivitust, et muutus kindlustuks) võimaldab SCL kõrgeks muutuda. Seejärel ootab ülemseade et SCL muutuks kõrgeks.
Kui SCL on kõrgeks tõusnud, ootab ülemseade miinimumaja (4μs standard kiirusega I²C korral) selleks, et kindlustada alamseadme biti nägemine millejärel tõmmatakse liin uuesti madalaks. See lõpetab ühe biti ülekande.
Pärast kaheksat samas suunas liikunud info bitti saadetakse vastaspoolele "teavitus bitt". Saatja ja vastuvõtja vahetavad rollid ühe biti ajaks ning eelnevalt vastuvõtjana olnud seade saadab tagasi üksiku 0 biti (ACK). Kui saatja näeb 0 biti asemel bitti 1 (NACK) saab ta teada midagi järgnevatest: 
Pärast teavitusbitti võib ülemseade teha ühte järgmistest asjadest:
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" – toimingukohased integraalskeemid), ei ole taktivenitamise tuge. 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 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.
Kasutusvaldkonnad.
I²C sobib perifeeria seadmetele, kus kiirusest tähtsamad on lihtsus ja väikesed tootmiskulud. Tavalisemad I²C siini kasutusalad on järgmised:
Seadmeid saab siinile lisada ja sealt eemaldada isegi siis, kui süsteem töötab, mis teeb selle väga kasulikuks, kui on tegemist seadmega, mille töö jooksul on vaja temaga ühendada ja lahti ühendada mitu seadeldist.
I²C siinid muutusid populaarseks siis, kui arvutiinsenerid avastasid, et suur osa mikroskeemi tootmiskuludest tuleneb tema pakendi suurusest ja jalgade arvust. Palju väiksem pakend kaalub tavaliselt vähem ning kulutab vähem voolu. See on omakorda aga väga tähtis mobiilsetel seadmetel. Samamoodi võidavad I²C siini disainist kõik seadmed mille mõõtmed peavad olema väiksed, kuna rohkemate radade vedamine trükkplaadile võtab alati ka rohkem ruumi.