I²C

I²C (anglicky Inter-Integrated Circuit, čteme I-squared-C, nesprávně I-two-C) je multi-masterová počítačová sériová sběrnice vyvinutá firmou Philips, která je používána k připojování nízkorychlostních periferií k základní desce, vestavěnému systému nebo mobilnímu telefonu.

Prakticky identická sběrnice se skrývá i pod zkratkou TWI (Two Wire Interface – dvoudrátové rozhraní), kterou používá firma Atmel a další výrobci namísto chráněné značky I2C.

Sběrnice rozděluje připojená zařízení na řídicí (master – zahajuje a ukončuje komunikaci; generuje hodinový signál SCL) a řízené (slave – zařízení adresované masterem). Podle stavu k 1. říjnu 2006 nejsou vyžadovány žádné licenční poplatky pro implementaci, avšak zpoplatněné je přidělování adres pro slave zařízení.^[1]

Sběrnice I²C se hojně používá v různých zařízeních včetně IBM PC kompatibilních počítačů:

• čtení konfiguračních dat z SPD EEPROM v paměťových DIMM modulech (SDR SDRAM, DDR SDRAM, DDR2)
• správa PCI karet pomocí spojení SMBus 2.0
• přístup k NVRAM čipům obsahujících uživatelská nastavení (na síťové kartě, řadiči)
• přístup k nízkorychlostním D/A a A/D převodníkům
• změna kontrastu, teploty barev, vyvážení barev v monitorech (DDC)
• změna hlasitosti inteligentních reproduktorů
• řízení OLED a LCD displejů mobilních telefonů
• čtení údajů o monitorovaných zařízeních (teplota procesoru, rychlost větráčků)
• čtení hodin reálného času
• zapínání a vypínání napájení systémových komponent

Umožňuje propojení až 128 různých zařízení s pouze dvěma obousměrnými vodiči. Jeden tvoří hodinový signál SCL (Synchronous Clock) a druhý datový kanál SDA (Synchronous Data). Z elektrického hlediska jsou oba kanály zapojeny jako otevřený kolektor. Maximální délka vodičů je dána jejich nejvyšší přípustnou kapacitou 400 pF. Každý vodič musí být připojen jedním pull-up rezistorem ke kladnému napětí, což zajistí vysokou úroveň v klidovém stavu. Při probíhajícím přenosu jsou na SDA vysílány jednotlivé datové bity přičemž platí pravidlo, že logická úroveň na SDA se smí měnit pouze je-li SCL v úrovni L. Toto pravidlo je porušeno ve dvou speciálních případech. A to při vysílání podmínek START a STOP, které se používají k zahájení komunikace a k ukončení přenosu.

Maximální frekvence signálu SCL je podle verze I²C 100 kHz nebo 400 kHz. Pro obě frekvence je dána minimální povolená doba setrvání SCL v úrovni L a H. Při komunikaci i při přenosu dat si jednotlivé stanice synchronizují generátory hodin tak, že trvání úrovně H na SCL je odměřováno vnitřním časovačem každé stanice až od okamžiku, kdy SCL skutečně úrovně H dosáhne (protože je SCL typu otevřený kolektor, může být v úrovni L držen i v situaci kdy se daná stanice snaží nastavit úroveň H). Podobně je doba trvání úrovně L na SCL odměřována od sestupné hrany. Tento mechanismus umožňuje některé ze stanic zpomalit přenos: pomalá stanice může podržet po určitou dobu signál SCL v úrovni L a tím zabránit vysílající stanici ve vyslání dalšího bitu. Sběrnice I²C neumožňuje duplexní přenos, v jednom okamžiku vysílá jen jedno zařízení. Všechna zařízení připojená na sběrnici musí mít individuální adresu o délce 7 nebo 10 bitů a implementovaný mechanizmus komunikace pomocí I²C sběrnice.

Přenos dat se zahajuje START bitem (S), tj. sestupnou hranou na signálu SDA když je SCL nahoře (zvýrazněno oranžově). Poté následuje sestupná hrana SCL, následně se do SDA nastaví přenášený bit. Během přenosu smí vysílač měnit hodnotu SDA když je SCL dole (zvýrazněno modře). Hodnotu SDA lze z linky přečíst, když je SCL nahoře (zvýrazněno zeleně). Kvůli zpoždění linky bývá úroveň SDA měněna na sestupné hraně SCL a vzorkována na vzestupné hraně SCL. Když je přenos dokončen, uvolní vysílač linku vysláním STOP bitu (P). Stop bit je realizován vzestupnou hranou SDA když je SCL nahoře (zvýrazněno oranžově).

Každému přenosu předchází vyslání podmínky START. Potom je vysílána 7bitová adresa příjemce a jeden bit R/W, který indikuje požadovanou operaci (čtení/zápis). Další bit ACK je vysílán s úrovní H a je určen k potvrzení přijímací stanice o připravenosti přijímat. Dále jsou přenášena data ve směru určeném předchozím bitem R/W. Každý byte je následován jedním bitem ACK. Po ukončení přenosu je vyslána podmínka STOP.

Pro řízení komunikace se na I²C používá metoda s detekcí kolize. Každá ze stanic může zahájit vysílání, je-li předtím sběrnice v klidovém stavu. Během vysílání musí neustále porovnávat vysílané bity se skutečným stavem SDA. Je-li zjištěn rozdíl mezi očekávaným a skutečným stavem linky SDA, je to indikace kolize mezi několika stanicemi. Vzhledem k charakteru sběrnice (otevřené kolektory) může k této situaci dojít, pokud určitá stanice vysílá úroveň H, zatímco jiná stanice vysílá úroveň L. Stanice, která na lince zjistí úroveň L zatímco sama vysílá H musí vysílání okamžitě ukončit . K řízení komunikace většinou dochází během vyslání několika prvních bitů, kdy je vysílána adresa přijímací stanice. Pokud by se např. dvě stanice současně pokusily o zápis do stejného obvodu, nastane kolize až při přenosu vlastních zapisovaných dat. V krajním případě, kdy několik stanic současně zapisuje stejná data na stejnou adresu, nemusí být kolize vůbec detekována.

Každá stanice připojená na I²C má přidělenou 7bitovou adresu. Po zachycení podmínky START, porovnávají všechny obvody svou adresu s adresou, která je vysílána na sběrnici. Zjistí-li některý z obvodů shodu, je vysílání určeno právě jemu a musí přijetí adresy potvrdit bitem ACK. Potom přijímá nebo vysílá další data. Několik adres je na I²C vyhrazeno pro speciální účely. Například adresa 0000000 je určena pro vysílání broadcast, adresy 0000011, 00001XX a 11111XX jsou rezervovány pro další účely.

Každý vysílaný byte a vyslaná adresa je následována vysláním jednoho bitu ACK. Vysílající stanice jej vysílá v úrovni H. Přijímající stanice potvrzuje přijetí tím, že v době vysílání ACK připojí SDA na úroveň L. Pokud vysílající stanice nedostane potvrzení příjmu, ukončí vysílání podmínkou STOP.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu I²C na Wikimedia Commons