Changes between Version 2 and Version 3 of MicroTmeI2c

Timestamp:

Mar 25, 2007, 4:28:18 PM (18 years ago)

Author:

Franck Wajsburt

Comment:

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MicroTmeI2c

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+[[PageOutline(1-2)]]
+
+{{{
+#!html
+<h1><u>Gestion du port I2C (mode maître)</u></h1><br>
+}}}
+
+= Objectif =
+
+Nous avons vu lors de la dernière séance les échanges rs232. Ce mode de communication est très utile pour l'échange de données
+avec un terminal (un PC ou un palm). Il est aussi parfois utilisé pour accéder à des périphériques intelligents comme un
+afficheur LCD ou même une caméra. Mais ce n'est pas idéal car le rs232 est un protocole point-à-point et il faut multiplier
+les ports et les cables si on veux connecter plusieurs capteurs.
+
+Aujourd'hui nous allons expérimenter l'I2C, un bus d'entrée-sortie qui permet de faire des échanges de données entre plusieurs
+interlocuteurs (on parle d'abonnés). Ce document contient une présentation succinte du protocole I2C limitée (ou peu s'en
+faut) aux seules spécifications offertes par le PIC réduites encore à ce dont nous avons besoin pour ce TME. De plus, sur
+l'I2C on distingue les abonnés maîtres et les abonnés esclaves, on ne programmera le PIC qu'en mode maître. Les étudiants
+intéressés pourront se reporter à la spécification officielle du protocole I2C présente sur le site du module microcontrôleur.
+
+Au niveau des expériences, nous allons tenter de communiquer avec deux composants I2C : un télémètre à ultra-sons et un
+convertisseur numérique-analogique à 8 sorties. Nous allons aussi en profiter pour voir une méthode de programmation très utile
+en assembleur: les automates d'états finis.
+
+= Protocole I2C =
+
+Cette présentation de l'I2C reprend des dessins et du texte glanés sur le web (en particulier le site
+[http://www.atmicroprog.com/cours/I2C/i2c.htm atmicroprog]), et dans le livre de Dominique Paret «Le bus I2C» chez Dunod, 
+merci à eux.
+
+== caractéristiques principales du bus I2C ==
+
+Ce protocole a été défini dans les années 80 par Philips. C'est un protocole simple à mettre en oeuvre, tant d'un point de vue
+matériel que logiciel. Il est très diffusé et il existe un très grand nombre de composants proposant directement une interface I2C.   
+
+I2C ou plutôt IIC signifie Inter-Integrated-Circuit. Comme son nom l'indique, il est destiné à faire communiquer des circuits intégrés
+sur des distances courtes (50 cm) jusqu'à 3.4 Mbits/s. Il est toutefois possible grâce à des répéteurs, qui regénèrent les
+signaux et pas mal de précautions, d'atteindre des distances de 100 mètres avec un débit de 100 kbits/s.
+
+La version de base permet à 128\footnote{Ce nombre de 128 est théorique, car la charge maximale de chaque ligne
+(SCL ou SDA) ne peut dépasser 400 pF (picoFarad), et les changements d'états des signaux SDA et SCL 
+ne peuvent dépasser 1  µs.} abonnés de communiquer sur 2 fils: un fil pour l'horloge (SCL), un fil pour les données
+(SDA). En pratique, les cables sont composés de 4 fils: SCL, SDA, GND, VDD. Les deux supplémentaires sont respectivement la
+masse (GND) et la tension d'alimentation (VDD). Cette dernière n'est pas indispensable mais elle permet généralement d'alimenter
+le périphérique distant (un peu comme pour l'USB).
+
+=== Glossaire I2C ===
+
+ '''abonné'''::
+   tout élément connecté sur le bus se nomme un abonné.
+
+ '''maître'''::
+   tout abonné qui démarre et termine un échange. Le maître place l'horloge sur SCL.
+
+ '''esclave'''::
+   tout abonné adressé par un maître. Un esclave à la possibilité d'arrêter temporairement l'horloge du maitre.
+
+ '''émetteur'''::
+   tout abonné, qu'il soit maître ou esclave, qui envoie des données sur SDA.
+
+ '''récepteur'''::
+   tout abonné, qu'il soit maître ou esclave, qui reçoit des données de SDA.
+
+ '''adresse'''::
+   numéro attribué à un esclave.  Sur le bus tous les esclaves ont une adresse unique. Les adresses petites sont prioritaires vis-à-vis des adresses grandes.
+
+ '''échange'''::
+   dialogue entre un maitre et un esclave.  Un échange commence par une adresse émise par le maitre, suivie d'une
+   ou plusieurs données émises par le maitre ou l'esclave.  Un maitre peut chainer plusieurs échanges d'affilée.
+   La fin normale d'un échange est décidée par le maître. L'esclave peut cependant demander l'abandon de
+   l'échange par le maître si l'esclave est récepteur.
+
+ '''arbitrage'''::
+   résolution d'un conflit d'accès simultané par 2 maitres.
+ 
+=== Principaux avantages de l'I2C ===
+
+Le protocole du bus I2C est particulièrement rusé, au sens où il offre beaucoup d'avantages tout en restant simple à mettre en
+oeuvre, c'est dans ses avantages que réside la raison de son succès.  Parmi les principaux avantages: 
+
+ * Un abonné peut se connecter au bus sans perturber le fonctionnement du bus. Il faut quand même respecter un protocole et
+   veiller à ne pas dépasser la charge maximale du bus (400 pF). Ce branchement à chaud permet par exemple de faire de la
+   maintenance sans stopper le système.
+ * C'est un bus multi-maitres, tout abonné peut devenir maître du bus\footnote{Le module I2C intégré au pic16f877 gère les
+   deux modes mais pas en même temps.}.
+ * L'arbitrage entre les maîtres est décentralisé. C'est un point important car c'est ce qui permet d'aller loin.  Il existe
+   un ordre total des esclaves du point de vue de la priorité. Cette priorité est statique.  À un instant donné, la priorité
+   entre deux maîtres dépend des esclaves accédés.
+ * Le protocole gère les collisions d'accès. Les échanges prioritaires passent sans être perturbés ni même retardés par les
+   échanges non prioritaires. Un échange est priortaire par rapport à un autre s'il est fait avec un esclave plus prioritaire.
+ * Un maître peut garder la possession du bus entre deux échanges avec un ou plusieurs esclaves. 
+ * Le débit du bus va de 100 kbauds à 3.4 Mbauds dans la version étendue du protocole (HighSpeed). Le pic16f877 peut aller
+   jusqu'à 400 kbauds. Il offre aussi une version non standard à 1Mbauds.
+ * Un maître peut adapter son débit en fonction de l'esclave accédé.
+ * On peut communiquer entre des circuits de différentes technologies (5V et 3.3V) moyennant des adaptateurs très simples.
+ 
+== Cablage I2C et comportement électrique ==
+
+Le bus I2C est un vrai bus au sens où les fils électriques sont physiquement partagés par tous les abonnés présents.  Sur la
+figure ci-après, on voit que les différents abonnés se branchent directement sur les 3 fils (4 si compte VDD). Il n'y a pas de
+différences électriques entre un maître et un esclave. Les résistances de rappel (une par ligne) ne sont pas dupliquées.
+La ligne VDD est en pointillés pour signifier qu'elle est optionnelle. Il existe d'autres connexions plus complexes
+utilisées s'il y a beaucoup d'abonnés, si on veut aller loin ou si VDD n'est pas 5V. Cette connectique convient sur quelques 
+mètres et pour 10 à 20 abonnés.
+
+[[Image(i2c_elec1.png,nolink)]]
+
+Pour permettre le partage des lignes, le bus I2C réalise un ET-cablé entre tous les abonnés. En d'autres termes:
+
+ * Les lignes SCL et SDA sont à VDD si personne ne parle grâce aux résistances de rappel à VDD (pullup).
+ * Pour mettre 1 sur SCL ou SDA, un abonné programme le port en entrée, la résitance Rp se charge de tirer la ligne à 1.
+ * Pour mettre 0 sur SCL ou SDA, un abonné doit écrire un 0, c.-à-d. relier la ligne à la masse.
+ * Il ne peut jamais y avoir de conflit électrique (court-circuit VDD-GND).
+
+[[Image(i2c_elec2.png,nolink)]]
+
+=== __Résumé des caractéristiques électriques standards__ ===
+
+ * '''Tension de fonctionnement''' :  5 Volts (fonctionne aussi en 3.3 V).
+ * '''Fréquence de fonctionnement''' :  jusqu'à 100 kiloHertz en mode standard et 400kHz en mode Fast.
+ * '''Etat logique haut''' :  de 3 à 5 Volts.
+ * '''Etat logique bas''' :  de 0 à 1.5 Volts.
+ * '''Capacité maximum du bus''' :  400 picoFarad au total. c'est-à-dire 10 pF par abonné auquels s'ajoute la capacité de la ligne elle-même.
+ * '''Temps de montée maximal''' :  1 µs à à 100 kHz, 0.3 µs à 400 kHz.
+ * '''Temps de descente maximal''' :  0.3 µs à 100 et 400 kHz.
+ * '''Courrant maximal entrant par un abonné''' :  3 milliAmpères.
+ * '''Résistance de rappel''' :  de 1.5 à 3.5 kiloOhms (dépend de la charge du bus). 
+ * '''Durée de l'état haut d'un pulse d'horloge''' :  4 µs minimum à 100 kHz, de 0.6 µs minimum à 400 kHz.
+
+= Le protocole d'échange =
+
+Le bus ne dispose que de deux lignes SCL et SDA. Les différents états que vont pouvoir prendre ces lignes vont permettre
+d'exprimer les étapes d'un échange. On parle de conditions car il s'agit en fait de changements d'état. Pour prendre un exemple,
+un maître veut faire un échange avec un esclave.
+
+ 1. Le bus étant libre ('''free time'''), le maitre prend le bus en imposant une condition de démarrage ('''start condition''').
+ 1. Le maitre envoie l''''adresse de l'abonné''' esclave visé et le sens du transfert '''read/write'''. 
+    Pour cela, il génère le signal d'horloge SCL périodique et transmet l'adresse bit après bits ('''bit transfer''') sur SDA. 
+ 1. L'esclave qui se reconnait renvoie un acquitement ('''acknowledge''' ou '''ACK''') sur SDA.
+ 1. Le transfert se poursuit par l'envoi de donnée, nous allons voir comment, et après chaque envoi par l'émetteur, le récepteur
+    envoie un acquitement.
+ 1. L'échange se termine normalement à l'initiative du maître (sauf exception) et s'achève par une condition d'arrêt ('''stop condition''').
+ 1. Éventuellement, le maître peut remplacer la condition d'arrêt par une condition de redémarrage ('''restart condition''') dans le
+    cas où il veut changer d'abonné ou de sens d'échange. 
+ 1. Les bits sont transférés par paquet de 8, bit de poids fort en premier (à l'inverse du rs232), qu'il s'agissse des données ou
+    des adresses. Le recepteur envoie un acquitement après chaque envoi de 8 bits par l'émetteur. l'acquitement est le 9ième bit. 
+
+== les différentes conditions ==
+
+Les 4 figures ci-dessous illustrent les 4 conditions du bus. Il ne manque que l'acquitement, mais en fait l'acquitement est un bit
+comme les autres si on se contente de regarder l'état des lignes. Ce qui change c'est celui qui parle sur SDA, en l'occurence c'est
+celui qui a reçu le mot qui l'acquite en imposant SDA à 0. S'il laisse SDA à 1 c'est un non-acquitement ('''NACK''').
+
+[[Image(conditions.png,nolink)]]
+
+== L'adressage ==
+
+Pour pouvoir communiquer avec les différents composants raccordés au bus, nous allons détailler le protocole de communication
+qui permet d'orchestrer les échanges.  Dans un premier temps, et après avoir émis une condition de départ, le maitre indique
+avec quel esclave il souhaite se connecter, pour cela il envoie sur le bus l'adresse de l'esclave composé de 7 bits (donc
+128 adresses différentes), puis un dernier bit indiquant le sens du transfert : Lecture (1) ou Écriture (0).  Tous les esclaves
+scrutent le bus et voient la condition de départ, celui qui reconnait son adresse envoie un acquitement (SDA à 0).
+
+[[Image(i2c_adresse.png,nolink)]]
+ 
+== Ecriture d'un octet ==
+
+[[Image(i2c_trame_w.png,nolink)]]
+
+La figure ci-dessus montre l'écriture d'octet. Le maître décide d'arrêter l'échange en faisant une condition d'arrêt. L'esclave se
+contente d'envoyer des acquitements après chaque réception.
+
+== Lecture d'un octet ==
+
+[[Image(i2c_trame_r.png,nolink)]]
+
+La figure ci-avant montre la lecture d'un octet. Il faut noter deux choses. La première est qu'après avoir envoyé l'adresse, le
+maître lâche SDA pour lire l'octet de donnée émit par l'esclave. La seconde est que pour signifier à l'esclave que la transaction
+s'achève il envoie un NACK (Not ACKnowledge) à l'esclave, puis il place une condition d'arrêt. Ce NACK ne signifie pas que la
+donnée n'a pas été correctement reçue mais que le maître veut stopper l'échange et que donc l'esclave doit lâcher SDA. Vous
+pouvez vous demander comment ferait le maître pour indiquer qu'il n'a pas bien reçu la donnée, et bien il ferait pareil, il
+imposerait un NACK. La différence est qu'il recommencerait la transaction, tout de suite ou plus tard en reprenant là ou il faut.
+
+== Espaces d'adressage ==
+
+La version standard du protocole utilise des adresses sur 7 bits. L'usage de ces adresses est réglementé. Les esclaves doivent se
+reconnaitre et il n'est pas possible d'avoir deux esclaves à la même adresse. C'est pour cette raison que certains composants
+permettent de choisir en partie ou totalement l'adresse. Le bus I2C permet le branchement à chaud (hotplug) mais pas
+l'autoconfiguration (plug-n-play).
+
+=== __Adresses réservées par le protocole I2C__ ===
+
+ * `0000000` General Call, adresse reconnue par tous les esclaves
+ * `0000001` réservé aux composant CBUS (ancètre)
+ * `0000010` réservé aux autres systèmes
+ * `0000011` réservé au futur
+ * `00001--` réservé aux composants haute vitesse (3.4Mbauds)
+ * `11111--` réservé au futur
+ * `11110xy` adressage 10 bits
+
+=== __112 Adresses réservées par les fournisseurs ou réquisitionables__ ===
+ * `0100xyz` sextuble CNA
+ * `1010xyz` 1024 x 8 bits eeprom
+ * `1110000` Télémetre à ultra-sons
+ * `.......` toutes les autres
+
+En plus de ces adresses I2C, il y a souvent un second système d'adressage propre au composant accédé. 
+Par exemple si le composant accédé est une ram. Ce composant ram a une adresse I2C et des adresses de cases internes.
+Du point de vue I2C, ces adresses de cases sont des données. Il y a donc en général un protocole spécifique propre à chaque
+composant.
+
+Nous allons pouvoir expérimenter ces deux niveaux de protocole dans les expériences de ce TME. Nous verrons en effet que chaque
+composant dispose d'une adresse unique I2C chacun et de plusieurs adresses internes dont le mode d'accès spécifique est présenté
+dans la spécification du composant. 
+
+== Pour finir ==
+
+Nous venons de voir l'écriture et la lecture d'un octet unique. En fait, le nombre d'octets échangés n'est pas limité. Un
+maître peut décider d'écrire autant d'octets qu'il veut. L'esclave peut refuser une donnée en envoyant un NACK et demander
+ansi au maître de stopper l'échange. Pour la lecture, l'esclave ne dispose pas de moyen pour indiquer au maître qu'il n'a
+plus de données à fournir. C'est un protocole de plus haut niveau qui doit régler ce problème.
+
+C'est le maître qui envoie les pulses d'horloge, mais l'esclave peut ralentir la transaction en maintenant la ligne SCL  à 0.
+Le maître est capable de s'apercevoir de ce ralentissement car il lit la valeur de la ligne SCL en permamence et il peut
+se rendre compte que la valeur lue n'est pas celle attendue. Le maitre peut aussi de lui-même decider de faire disparaitre
+certains pulses pour, par exemple, se laisser le temps de réagir quand il est récepteur d'envoyer des acquitements. Cette
+caractéristique permet donc au maître et à l'esclave de prendre le temps nécessaire à chaque étape d'un échange, c'est
+particulièrement utile si c'est un programme en assembleur qui fait avancer l'échange.
+
+Pour les deux figures précédentes, nous avons ajouté une notation des échanges qui simplifie leur description. On ne fait
+plus apparaitre les chronogrammes, mais juste les conditions et les mots échangés. Cette notation se retouve souvent dans
+les documentations des circuits à interface I2C, en particulier ceux que vous allez voir aujourd'hui.
+On n'a pas besoin de faire apparaitre le temps d'attente.
+
+== Conclusion hative ==
+
+Nous allons arrêter là pour la description de l'I2C car nous n'avons pas besoin de plus pour ce TME. Encore une fois,
+nous vous invitons à lire la spécification officielle de Philips sur l'I2C. Le pic16f877 offre plus de choses que la simple
+écriture et lecture d'un octet mais nous ne le verrons pas aujourd'hui.
+
+Ce que vous n'avez pas vu, c'est:
+ * Le mode d'adressage 10 bits.
+ * La méthode de résolution des conflits
+
+= Les circuits I2C de ce TME =
+
+Nous allons communiquer avec deux circuits: un convertisseur numérique analogique et un télémètre à US. Nous allons commencer par
+le convertisseur car il peut être commandé en faisant seulement des écritures i2c. Le télémetre nécessite écritures et lectures et
+nous allons voir que c'est un peu plus compliqué.
+
+= Le module I2C du pic16f877 =
+
+Le PIC peut agir comme un maitre ou un esclave. Ici nous le faisons fonctionner en maitre. 
+Vous trouverez les informations dans la documentation technique fournie à partir de la page 24.
+Le bus I2C permet à plusieurs maitre de se partager les ressources. Ceci entraine des collisions
+et cela complexifie le contrôle par le PIC. Dans notre cas nous n'avons qu'un seul maitre, en conséquence il y a
+pas mal d'information inutiles dans la documentation. Pour comprendre la gestion du bus par le PIC, c'est-à-dire
+comprendre quels sont les registres à consulter et modifier pour réaliser une transaction, vous devez vous reporter
+aux tableaux pages 25(verso) et 26(recto). Vous pouvez voir qu'une transaction se fait en controlant les bits SEN, PEN et SSPIF.
+
+= Le modèle de programme fourni =
+
+Nous donnons un programme qui fait une rampe sur le DAC: [attachment:i2c_dac.asm].
+
+= Travaux pratiques =
+
+=== __Experience n°1__ ===
+ * A la lecture de la documentation commentez chaque ligne de l'initialisation du module I2C et des envois au DAC.
+
+=== __Experience n°2__ ===
+ * Augmenter la fréquence en faisant des trames i2c plus longue.
+ * Envoyer une dent de scie sur 2 sorties.
+
+=== __Experience n°3__ ===
+ * Commander le télémetre avec affichage sur le port D de la distance.
+
+=== __Experience n°4__ ===
+ * Pour les plus avancer. Utiliser les interruptions ! attention c'est dur donc un super bonus a ceux qui y arrivent !