I²C

La connessione I²C

I²C (Inter Integrated Connection) è uno standard per lo scambio dati con una interconnessione seriale sincrona, studiato da Philips (attualmente NXP) che ne detiene i diritti. Analogo a I²C è SMBus (System Management Bus) di Intel, con struttura simile, ma con qualche differenza sulle soglie dei livelli logici.

Esiste poi un CBUS che però presenta varie differenze anche hardware. Troviamo anche costruttori che realizzano dispositivi denominati genericamente 2-Wire Serial Interface, con una compatibilità I²C.
Comunicazioni del genere I²C sono presenti in molte applicazioni, ad esempio nell' interfaccia tra schede video e monitor (VGA, HDMI) o per l' accesso ai serial presence detect (SPD) delle DIMM e altri componenti per sistemi computerizzati, ecc.

Come dice il nome, si tratta di una connessione tra circuiti integrati, prevista per collegare vari dispositivi presenti su circuito stampato o all' interno di una apparecchiatura.
Il sistema include la possibilità di avere più dispositivi sia Master (multi-Master) che Slave, collegati tra di loro utilizzando solamente due conduttori, uno per i dati ed uno per il clock.

Siccome sia Master che Slave possono trasmettere e ricevere dati, la linea dati è bi-direzionale.
E lo è anche il clock, in quanto sarà il dispositivo in linea in quel momento a comandarlo.
In effetti, secondo la definizione originale del protocollo, sono identificati i seguenti elementi:

Siccome I²C è multi-Master, un dispositivo che opera come Master potrà operare anche come Slave di un altro Master. I Master sono solitamente dei microcontroller e questo significa che più microcontroller possono essere collegati al bus e comunicare sia tra di loro che con eventuali Slave.

Per riassumere, I²C è un sistema seriale sincrono con due linee bi-direzionali, multi-Master.

• la line dati è chiamata SDA (Serial DAta) e 
• la linea del clock è chiamata SCL (Serial CLock).

Dovendo consentire accessi bi-direzionali alle linee fisiche di trasporto del clock e dei dati, ne risulta che la configurazione tipica è costituita da periferiche con interfaccia open drain, o open collector, "appese" a linee dotate di pull-up (wired-AND). E' una configurazione single-ended con il riferimento alla tensione di alimentazione. I vari dispositivi sono semplicemente aggiunti collegandoli ai due conduttori del bus.

I pull-up, dunque, non sono opzionali, ma sono indispensabili, in quanto le linee, se non mandate a livello basso alla chiusura degli open drain, sarebbero ad un livello logico indeterminato e quindi inaccettabile dagli ingressi di ricezione.
Questa soluzione circuitale consente di aggiungere (entro i limiti del collegamento fisico) periferiche  al bus senza modifiche, consentendo una scalabilità verso un numero maggiore di dispositivi. Sono stati prodotti anche line extender che consentono di superare le brevi distanze costituite da cablaggi all' interno di una apparecchiatura o anche buffer in grado di portare i segnali fuori di essa. Per contro, la bi-dierzionalità delle linee rende più complessa la bufferizzazione e l' isolamento galvanico rispetto a bus con linee mono direzionali.

In sostanza, i conduttori del bus possono assumere solo due stati: 

• float high quando nessun dispositivo è in conduzione; la tensione positiva è assicurata dai pull-up 
• driven low quando un open drain (o open collector) viene chiuso, mandando la linea a livello basso. 

Ovviamente occorre che solamente una unità sia in trasmissione in un dato istante, dato che se più unità agiscono contemporaneamente portando a livello basso la linea, non si verificano sovracorrenti, ma il contenuto dell' informazione va perso. Questo richiede che sia verificato lo stato di linea libera prima iniziare la trasmissione.
Per questa ragione i dispositivi non invertono la loro direzione a seconda che siano in trasmissione o ricezione, ma dispongono su ognuna delle linee di uno switch per la trasmissione (transistor bipolare open collector o MOSFET open drain) e, contemporaneamente, un gate di ricezione, tipicamente Schmitt trigger per minimizzare il rumore.
Questa architettura è indispensabile non solo per la verifica dello stato idle della linea, ma per l' ulteriore ragione che i livelli logici sulle due linee non costituiscono solo la trama della trasmissione, ma, con particolari configurazioni, forniscono degli stati che il sistema identifica come handshake, detti "condizioni", che saranno decritti più avanti.

La comunicazione si svolge al livello dell' alimentazione dei circuiti integrati, che va tipicamente dai classici 5V al minimo supportato dai dispositivi collegati, ad esempio 3V, anche se non ci sono teoricamente limiti al valore della Vdd.
Dato che, però, i dispositivi non solo trasmetto in linea, ma anche ricevono nello stesso tempo, se sullo stesso bus sono collegati dispositivi alimentati a tensioni diverse occorrerà introdurre traslatori di livello o altri artifici hardware per adattare i livelli logici, anche se dispositivi recenti hanno ingressi che supportano una ampia gamma di tensioni.

Su un bus di questo genere non è consigliabile inserire altro che dispositivi I²C, dato che il cambio di stato delle linee ha funzione di segnalazione; l' eventuale inserimento di altri dispositivi richiede la massima cautela.

I²C prevede il supporto per una ampia gamma di frequenze di clock:

Trattandosi di una comunicazione sincrona con il clock separato dai dati, la precisione dell' oscillatore è relativa e, al limite, il clock può variare durante la trasmissione senza perdita del dato, tanto che il protocollo prevede una azione, detta clock stretching, in cui l' unità in trasmissione rallenta il clock.
Questo consente di mescolare su uno stesso bus unità differenti come prestazione e non far dipendere la larghezza di banda solamente da quella più lenta.

Come è evidente, sul bus potranno comunicare solamente due dispositivi alla volta in una modalità half-duplex; l' accesso di più periferiche in trasmissione è controllato ed impedito dai sistemi di handshake, mentre tutti i dispositivi collegati al bus si trovano sempre e comunque in stato di ricezione in attesa di essere selezionati con il proprio indirizzo oppure di entrare in trasmissione come Master nel momento in cui le linee siano libere; lo standard stabilisce sistemi di general call per inviare particolari messaggi a tutti i dispositivi sul bus contemporaneamente.

Il bus I2C

Philips-NXP ha previsto il bus per collegare ogni genere di periferica in modo seriale ad uno o più microcontroller che governano un sistema o una apparecchiatura.
Le applicazioni spaziano dagli apparecchi TV ai personal computer, dagli strumenti di misura ai sistemi di supervisione di processo.

La pubblicazione UM1024 esemplifica un bus complesso dove sono presenti più microcontroller e una suddivisione del bus stesso in sezioni attraverso multiplexer e repeater.
Philips ha infatti realizzato una gamma molto ampia di funzioni per I²C , non solo periferiche come I/O expander e EEPROM, ma anche elementi di supporto a bus complessi, come multiplexer, repeater, buffer, level translator, ecc.