Interfaces e Periféricos 37 CAPÍTULO 5 Interfaces I 2 C e SPI Interface I 2 C Nos anos 80 a Philips desenvolveu um novo padrão de barramento chamado I²C, cujo objetivo era facilitar a comunicação entre circuitos integrados que estão na mesma placa de circuito impresso (especialmente em circuitos de TVs). O nome I²C significa Inter Integrated Circuits e é, de forma resumida, um barramento bidirecional de dois fios, para comunicação entre CIs. Quando se conectavam muitos dispositivos simultaneamente à CPU as linhas de dados e endereços dos dispositivos eram interligadas às linhas de dados e endereços da CPU. O resultado era uma placa com uma enorme quantidade de trilhas, tornando o circuito mais sensível às interferências eletromagnéticas (EMI) e descargas eletrostáticas (ESD). O barramento I²C veio então para remediar este problema. O I²C é baseado em comunicação serial síncrona e indicado para distâncias curtas. Hoje ele não é somente utilizado em placas simples, mas também na interligação de periféricos de baixa velocidade e componentes em placas-mãe, sistemas embarcados, smartphones e até mesmo na indústria automotiva. Exemplos de dispositivos: MCU, LCDs, Memórias RAM e EEPROM, RTC, sensores, etc. Details: O I²C utiliza um espaço de endereçamento de 7bits (128 endereços, dos quais 16 são reservados). Isto significa que cada dispositivo I²C é reconhecido por um endereço de 7bits. As duas linhas bidirecionais a qual transportam informações entre os dispositivos conectados no barramento são conhecidas como: SDA (Serial Dada Line) SCL (Serial Clock Line)
Interfaces e Periféricos 38 Como os próprios nomes indicam, a linha SDA transporta os dados e a linha SCL o clock, para sincronização. As voltagens típicas encontradas são +5V e +3.3V. O barramento pode operar no modo multi-mestre, o qual permite que qualquer dispositivo seja capaz de iniciar a comunicação. O dispositivo que inicia é chamado mestre e o dispositivo acessado é chamado escravo. O mestre é sempre responsável pela geração do sinal de clock. O passo a passo da comunicação: Vamos assumir que o mestre (Uma MCU por exemplo) quer enviar dados para um de seus escravos: 1. Espera até que não haja atividade no barramento (ocioso). As linhas SDA e SCL estão em nível alto. Resistores de pull-up são utilizados para garantir esse estado, na ausência de transmissão. 2. O mestre envia um sinal chamado start condition, para obter controle do barramento. Este sinal nada mais é do que colocar as linhas SDA e SCL em nível lógico baixo, nesta sequência. Isso informa a todos os escravos conectados para escutar os dados na linha serial (SDA). 3. O mestre provê o clock na linha SCL. Ele será utilizado por todos dispositivos no barramento para transferir os dados, de forma síncrona. 4. O mestre envia um único endereço em binário para o dispositivo que deseja acessar. 5. Em seguida o mestre envia um único bit (chamado read/write flag) para informar se executará uma operação de leitura ou escrita no dispositivo (read = leitura = 1, write = escrita = 0). 6. Cada escravo comparará o endereço recebido com seu próprio endereço, respondendo com um bit de confirmação (ack). 7. Uma vez que o mestre receba a confirmação (ack), ele começa a transferência, enviando ou recebendo dados (recebendo um ack a cada 8 bits transferidos).
Interfaces e Periféricos 39 8. Quando o envio de dados se completar o mestre envia um sinal, chamado stop condition, o qual é o ato de colocar as linhas SCL e SDA, respectivamente, em nível alto, ficando o barramento em modo ocioso, novamente. Modos de operação: O barramento I²C pode operar em três modos: 1. Standard mode (modo padrão) 2. Fast mode ou Enhanced 3. High-Speed ou (modo HS) Standard mode: Taxa máxima de 100kbps Endereçamento de 7-bits (16 reservados) = 112 endereços para escravos. Fast mode ou Enhanced: Taxa máxima de 400kbps. Para suprimir picos de ruídos utiliza entradas baseadas em Schmitt-triggers. As linhas SCL e SDA de escravos ficam em alta impedância quando a alimentação destes é removida.
High-Speed mode: Interfaces e Periféricos 40 Taxa máxima de 1.7 Mbps (com C= 400pF), e 3.4Mbps (com C = 100pF). O mestre operando em modo HS envia um sinal de requisição de compatibilidade para o escravo para verificar se este pode operar em tal modo. Interface SPI A SPI (Serial to Peripheral Interface) foi desenvolvida inicialmente pela Motorola e depois adotada pela indústria. A Interface Microwire da National Semiconductor é idêntica a SPI. É possível também encontrar a denominação four wire serial bus fazendo referência a SPI. Assim como a I 2 C, a SPI é utilizada na comunicação de processadores com seus periféricos, no âmbito da placa de circuito impresso. Além disso, é possível a comunicação entre dois processadores via SPI. Os periféricos disponíveis são similares aos encontrados em I 2 C: RTCs (Real Time Clocks), EEPROM, LCDs, sensores e outros. Linhas de dados e controles da interface SPI: O protocolo SPI especifica o uso de 4 linhas (fios): 1. Master Out Slave In (MOSI) O sinal MOSI é gerado pelo mestre, o receptor é o escravo. 2. Master In Slave Out (MISO) - O sinal MOSI é gerado pelo escravo, o receptor é o mestre. 3. Serial Clock (SCLK ou SCK) O sinal SLCK é gerado pelo mestre para sincronizar a transferência de dados entre o mestre e o escravo. 4. Slave Select (SS) no Mestre e Chip Select (CS) no escravo O sinal SS é gerado pelo mestre para selecionar um escravo específico. O SS/CS é ativo em nível baixo (0). É comum encontrar outras nomenclaturas para os sinais da SPI: SDI (Serial Data In) equivalente a MOSI SDO (Serial Data Out) equivalente a MISO
Interfaces e Periféricos 41 Mestre e escravo conectados via SPI A interface SPI é serial síncrona (assim como a I 2 C), no entanto, ela pode operar em full-duplex. Apesar da SPI ser utilizada comumente como mestre/escravo, ela pode operar com mais de um escravo ao se utilizar a linha de seleção ( Slave Select (SS) no Mestre e Chip Select (CS) no escravo). O mestre só pode selecionar um escravo de cada vez. Pode ocorrer de linha de seleção não ser obrigatória quando temos somente um mestre e um escravo (depende dos modelos/fabricantes de dispositivos utilizados). As linhas de dados (MOSI e MISO) podem não estar ambas presentes em todos os dispositivos, por exemplo, a linha MOSI pode não estar presenbte se o dispositivo não requer entrada de dados (Um sensor, por exemplo). A comunicação: A comunicação é sempre iniciada pelo mestre. Ele coloca a linha CS em nível lógico 0 (ativação). Se houver mais de um escravo, aquele que não for selecionado fica com as linhas MISO e MOSI em tristate (alta impedância) de forma a não interferir na comunicação. Uma transmissão full-duplex ocorre durante cada ciclo de clock. Cada vez que o mestre envia um bit na linha MOSI o escravo lê ele na mesma linha, enviando, simultanemente um bit na linha MISO, permitindo que o mestre leia a mesma linha. Configurações para múltiplos escravos 1. Configuração paralela (escravos independentes) 2. Escravos em cascata (daisy-chained slaves)
Configuração paralela: Interfaces e Periféricos 42 1. A mais comum 2. Todas as linhas de clock (SCLK) estão ligados entre si 3. Todas as linhas de MISO estão ligados entre si 4. Todas as linhas de MISO estão ligados entre si 5. O Chip Select (CS) pin de cada periférico deve ser conectado a um (SS) pin independente no microcontrolador. SPI Bus in independent slave configuration Escravos em cascata: Nesta configuração, todas as linhas de clock (SCLK) estão ligados entre si. Além disso, todos o Chip Select (CS) estão conectados juntos. Os dados fluem para o microcontrolador, passando através de cada periférico, e de volta para o microcontrolador. A saída de dados d escravo do periférico precedente é ligada à entrada de dados do seguinte. Desse modo, apenas uma única linha SS é exigida do mestre, em vez de uma linha SS separado para cada escravo. Em contrapartida, cada escravo (periférico) deve ser configurado para replicar a informação recebida e transmitir para o próximo. Na prática, esta configuração não é muito empregada.
Interfaces e Periféricos 43 Daisy-Chained SPI Bus Vantagens e Desvantagens da SPI (SPI versus I 2 C): Vantagens: 1. Comunicação Full duplex 2. Possui maior vazão que o protocolo I²C. A SPI não é padronizada no que diz respeito a taxas e tamanho da palavra enviada, podendo chegar a mais de 50Mbps. 3. Não limitada a palavra de 8 bits. 4. Hardware é mais simples 5. Menor consumo de energia do que a I²C, devido a menor complexidade do circuito. Desvantagens: 1. Requer mais pinos nos circuitos integrados que a I²C 3. Não há controle de fluxo 4. Não há um padrão formal 5. Apenas funciona em curtas distâncias