BUS I2C: IMPLEMENTACIÓN PRÁCTICA CON MICROCONTROLADORES PIC MEMORIAS EEPROM SERIE

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1 BUS I2C: IMPLEMENTACIÓN PRÁCTICA CON MICROCONTROLADORES PIC MEMORIAS EEPROM SERIE Fernando Nuño García 1

2 Ventajas del BUS I2C Definido inicialmente a mediados de los 80 para trabajar a 100kbit/s y en 1995 se definió un modo rápido de funcionamiento que permitía transferencias de hasta 400kbit/s (algunos dispositivos gráficos llegan a 3,4MHz). Presenta una transferencia lenta en comparación con el modo SPI y mucho más con la lectura/escritura directa de los puertos de un microcontrolador Es útil y se emplea en muchas aplicaciones en las que la velocidad de transferencia es mucho mayor de lo que el caso requiere (p.e. Medida de temperaturas con constantes de tiempo de segundos) Su principal ventaja, es que una vez disponible el microcontrolador con sus funciones de interface con bus I2C, la inclusión de un dispositivo I2C adicional sólo necesitaría su conexión a las dos líneas del bus (SDA y SCL que son las mismas para todos) y asignarle una dirección. Los intercambios se realizarían utilizando los mismos subprogramas para todos La tensión de funcionamiento va de 2,5V a 5,5V y no es necesaria la presencia de drivers de adaptación de tensión externos (integración en los propios dispositivos) 2

3 Comparativa de Comunicaciones Serie 3

4 C.I. con bus I2C: Convertidor D/A: MAX518 (DIP8 ó SO-8) de Maxim Convertidor A/D y D/A: PCF8591 (DIP16 ó SO-16) de Philips Sensor de Temperatura: LM75 (SO-8) de National Semiconductor EEPROM serie: 24Cxx ó 24LCxx (DIP8 ó SO-8) de Microchip Reloj/Calendario de tiempo real (RTC): X1288 (SOIC-14) de Xicor LCD con Driver: TTR6030 (PCB con 4 pines) Otros Microcontroladores: PCA8516 de Philips para LCDs Al margen de su compatibilidad con el bus I2C, cada dispositivo tiene su propia configuración, con sus registros internos, sus comandos, sus estados, etc. que será preciso conocer en sus hojas de características funcionales particulares 4

5 Conversor D/A (MAX 518) Convertidor D/A doble de 8 bits Será un esclavo en el bus I2C que siempre recibirá datos (no enviará) SDA y SCL siempre serán entradas Con las entradas AD1 y AD0 se pueden seleccionar 2 bits de la dirección, los 5 primeros son fijos: Bus A1-A0 podrían conectarse hasta 4 MAX518 al mismo bus I2C Selección de Dirección 5

6 Conversor A/D y D/A (PCF8591) Será dispositivo Esclavo en el bus que puede enviar (A/D) o recibir (D/A): SDA puede ser entrada o salida Dirección asignada al integrado: A2-A1-A0 (hasta 8 en el bus) Bus Sel. Dirección Entradas A/D Analógicas Salida D/A Analógica 6

7 Sensor de Temperatura (LM75) Combinación de sensor de Tª, conversor A/D e interface I2C en un solo C.I. Siempre será dispositivo esclavo y estará emitiendo datos cuando se lo solicite el Maestro del bus Dirección asignada: A2-A1-A0 Sel. Dirección Bus I2C 7

8 Reloj/calendario de tiempo real con alarmas (X1288) Registra segundos, minutos, horas, día de la semana, día del mes, mes y año Será un esclavo en el bus con una dirección fija: Puede enviar (da la hora, fecha, etc) o recibir datos (puesta en hora) 8

9 LCD con DRIVER y bus I2C (TTR6030) Display de cuarzo líquido de 2 líneas y 8 caracteres por línea, caracteres de 5x7 Es un LCD con su driver e interface I2C en una placa de circuito impreso pensado para ser Esclavo de un bus I2C con la dirección: A0 (A0 es configurable internamente) Dispone de un microcontrolador PCF2103 9

10 Memorias serie EEPROM con interface I2C (24XXX de Microchip) Memorias no volátiles borrables y grabables eléctricamente (lectura/escritura) Organización matricial interna Dispositivos esclavos en bus I2C con dirección configurable: A2-A1-A0 con transferencia de datos bidireccional Config. Bus 10

11 Ejemplo: Memoria 24C65 (ó 24LC65) en detalle La diferencia entre ambas son los márgenes de tensión de funcionamiento: para la 24C65 va de 4,5V a 5,5V y para 24LC65 de 2,5V a 6,0V Son memorias serie EEPROM de 8k posiciones x 8 bits/posición: 64kbits que se emplean para guardar datos no volátiles Dispone de un bloque de 4kbits de alta durabilidad y resistencia a ciclos de borrado y escritura frecuente de datos ( de ciclos de borrado/escritura), el resto (60kbits) garantizan un promedio de de secuencias de borrado y escritura Dispone de una caché interna de 64bytes para escritura rápida y el tiempo de escritura se establece en torno a 2ms por byte y de 5ms por página de 8 bytes de caché La transferencia mediante bus I2C puede realizarse a 100kHz(2,5V) ó a 400kHz 11

12 Descripción funcional de 24LC65 La memoria, a nivel interno está organizada en bytes, que es el tamaño de los datos que puede recibir o enviar en cada transferencia individual el bus I2C Para el acceso a cada byte interno, sea para lectura o para escritura, la memoria dispone de un puntero de direcciones que en el caso de la 24LC65 será de 13 bits (para 8kbytes = 2 13 bytes) Para acceder a un byte de la memoria, será preciso situar previamente el puntero apuntando a la dirección asignada a dicho byte En cada lectura/escritura de un byte el puntero de direcciones se incrementa de manera automática, permitiendo un acceso secuencial a las posiciones de la EEPROM. Si se desea un acceso aleatorio, será preciso cambiar antes el puntero. Matriz de 8kbytes Puntero (A12-A0) b7 b6 b5 b4 b3...b0 12

13 1.- Escribir un byte: Operaciones de Escritura El Maestro del bus generará un START, luego colocará la dirección asignada en el bus al dispositivo EEPROM (7bits) y el bit R/W=0 para indicar que el Maestro va a grabar un dato en la EEPROM Esclava. Tras el ACK que coloca la EEPROM al detectar coincidencia con su dirección, el Maestro debe enviar la dirección de la posición que se desea grabar. Esto se hace en dos bytes, se envía primero un byte con tres ceros y los 5 bits de la parte alta del puntero interno y luego los otros 8 bits. Tras los correspondientes ACK de la memoria (tras cada byte), el Maestro enviará el byte a escribir en la referida posición, la EEPROM responderá con un nuevo ACK y el Maestro finalizará enviando una condición de STOP. Tras esta secuencia, la memoria inicia el ciclo interno de escritura que dura entorno a 2ms. Durante ese tiempo, la EEPROM no generará bits ACK de reconocimiento si se intenta una transferencia 13

14 1.- Escribir un byte (sigue): SDA: S A2 A1 A0 0 ACK D12 D11 D10 D9 D8 ACK Start Dirección de la EEPROM como Esclavo en I2C R/W 5 bits altos de la dirección donde se va a escribir D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ACK b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ACK P Los 8 bits bajos de la dirección donde se va a escribir Los 8 bits del dato que se quiere escribir Stop Puntero interno D12 D11 D10...D0 b7 b6 b5 b4 b3...b0 SDA EFECTO de la ESCRITURA EEPROM de dir. 1010A2A1A0 14

15 2.- Escribir páginas o escribir caché: Operaciones de Escritura La escritura de varios bytes según el procedimiento descrito puede resultar excesivamente lento. Para solventar el inconveniente, se puede utilizar una zona de memoria caché de 64 bytes organizada en 8 páginas de 8 bytes cada una La transferencia se inicia del mismo modo que la escritura de un byte pero ahora, tras el envío de la dirección de grabación, se van enviando los datos de manera consecutiva (con ACK tras cada uno de ellos) que irán almacenándose temporalmente en la caché interna. Hasta que no se reciba la condición de STOP, no se iniciará la grabación de la EEPROM desde la caché. El tiempo total de grabación de la EEPROM dependerá de cuántas páginas estén cargadas en la caché en el momento de recepción del STOP, el tiempo máximo por página es de 5ms Tras la recepción de cada byte, los 6 bits más bajos del puntero de direcciones (que forman el puntero de la caché) se irán incrementando de modo automático y los 7 más altos no cambiarán. Si el Maestro llegase a enviar más de 64 bytes antes de un STOP, el puntero de la caché se desbordaría y se sobreescribirían los primeros bytes ya almacenados en la caché. 15

16 2.- Escribir páginas o caché (sigue): Operaciones de Escritura SDA: Start S A2 A1 A0 0 Dirección de la EEPROM como Esclavo en I2C R/W ACK D12 D11 D10 D9 D8 ACK 5 bits altos de la dirección a partir de la cual se va a escribir D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ACK Los 8 bits bajos de la dirección donde se va a escribir a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 1 er byte de datos a0 ACK b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ACK z7 z6 z5 z4 z3 z2 z1 z0 ACK P 2º byte de datos Más datos... Último byte de datos (bytes<65) Stop 16

17 Operaciones de Escritura: Memoria Caché La memoria caché es un buffer FIFO organizado en 8 páginas de 8 bytes cada una. En cuanto se inicia un comando de escritura, la caché empieza a cargarse con los bytes que se van recibiendo. Al aparecer un STOP se inicia la escritura real en EEPROM, pero sólo se escriben los bytes que se han recibido, NO TODA LA CACHÉ byte 0 página 0 byte 1 página 0... byte 7 página 0 byte 0 página 1 byte 1 página 1... byte 7 página 1... byte 0 página 7 byte 1 página 7... byte 7 página 7 CACHÉ (64 bytes) STOP Escritura de hasta 64 Bytes EEPROM (8kbytes) La escritura final se realiza entre páginas de 8 bytes: de una página de caché a una página de EEPROM Si no se ha completado el envío de los 8 bytes de una página de caché sólo se transfieren a la EEPROM los bytes cargados Microcontroladores NO todas las PIC EEPROM 24xxx tienen caché 64 bytes: en 24LC64 de 32 bytes 17

18 Los bytes que se reciben se van cargando a partir de la página 0 de la caché, y el primer byte que se carga de esa página 0 viene seleccionado por los 3 últimos bits (D2,D1,D0) de la dirección que va a ocupar finalmente en la EEPROM el primer byte enviado. (1) Dirección para el primer byte: Operaciones de Escritura: Memoria Caché (II) byte 0, pag.0 caché (4) byte 1, pag.0 caché Escritura de hasta 64 Bytes EEPROM (8kbytes) (4) Si se completan los 64bytes de la caché, los 2 últimos bytes enviados ocuparían los posiciones 0 y 1 de la página 0 y al realizar la escritura de EEPROM pasarían a 2 posiciones no deseadas al ser la escritura de página de caché a página de EEPROM (2) Orden para llenar la caché byte 0 página 0 byte 1 página 0 byte 2 página 0 byte 3 página 0... byte 7 página 0 byte 0 página 1 byte 1 página 1... byte 7 página 1... byte 0 página 7 byte 1 página 7... byte 7 página 7 CACHÉ (64 bytes) (3) Al llegar al final seguiría arriba 18

19 Disponibilidad de la EEPROM Durante los ciclos internos de escritura de la EEPROM el dispositivo no se encuentra operativo dentro del bus. En caso de que se inicie un ciclo de lectura o de escritura, la EEPROM respondería con un bit de no reconocimiento Para determinar si la EEPROM todavía está ocupada con el ciclo interno, se pueden enviar los bytes iniciales para lanzar escrituras hasta que haya una respuesta con un bit de reconocimiento desde la EEPROM Los ciclos de lectura no precisan de esperas ya que los datos están disponibles a medida que se van solicitando por parte del Maestro 19

20 Operaciones de Lectura Existen 3 tipos de operaciones de lectura: 1.- Lectura en la dirección actual del puntero interno de la EEPROM Se trata de leer el byte apuntado en ese momento por el puntero, éste se va incrementando automáticamente con cada operación de lectura 2.- Lectura aleatoria de un byte con una dirección dada Consiste en situar primero el puntero de direcciones de la EEPROM y realizar posteriormente una lectura 3.- Lectura secuencial Similar a la lectura aleatoria pero se van leyendo de manera sucesiva los bytes que siguen mientras el dispositivo Maestro vaya introduciendo bits de reconocimiento (ACK). Si el Maestro del bus decide finalizar las lecturas debe introducir una secuencia de STOP 20

21 Operaciones de Lectura SDA: Start 1.- Lectura de la dirección actual Se envía la dirección del dispositivo EEPROM como esclavo en el bus y se indica directamente que se desea realizar una lectura S A2 A1 A0 1 Dirección de la EEPROM como Esclavo en I2C R/W ACK b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ACK Byte contenido en la dirección actual Sin reconocimiento Stop P El puntero se incrementa de manera automática Puntero interno (antes) D12 D11 D10...D0 (D12 D11 D10...D0)+1 Puntero interno (después) b7 b6 b5 b4 b3...b0 EEPROM de dir. 1010A2A1A0 SDA 21

22 2.- Lectura de una dirección aleatoria Operaciones de Lectura Se envía la dirección del dispositivo EEPROM en el bus y se indica con R/W que se va a escribir la dirección interna de la EEPROM a la que se quiere acceder, de este modo se sitúa el puntero. A continuación se vuelve a direccionar el dispositivo pero indicando ahora que se desea realizar una lectura SDA: S A2 A1 A0 0 ACK D12 D11 D10 D9 D8 ACK Start D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Los 8 bits bajos de dirección donde se va a escribir Dirección de EEPROM como Esclavo en I2C R/W=0 va a escribir dirección ACK S A2 A1 A0 1 Dirección de EEPROM como Esclavo en I2C 5 bits altos de dirección de la que se quiere leer ACK b7 b6... b0 ACK P byte leído Stop Nuevo Start (Restart) R/W=1 va a leer el byte Sin ACK del Maestro 22

23 Operaciones de Lectura 3.- Lectura secuencial Es idéntica a la lectura de una dirección aleatoria salvo que después de que la EEPROM envíe el primer dato, el Maestro genera un bit de reconocimiento (ACK) para que la EEPROM continúe enviando el byte siguiente y así sucesivamente hasta que el Maestro detenga las lecturas mediante un no ACK y un bit de STOP SDA: S A2 A1 A0 0 ACK D12 D11 D10 D9 D8 ACK Start Dirección de EEPROM como Esclavo en I2C R/W=0 5 bits altos de dirección de la que se quiere leer D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Los 8 bits bajos de dirección donde se va a escribir ACK S A2 A1 A0 1 Dirección de EEPROM como Esclavo en I2C b7 b6... b0 ACK... ACK b7 b6... b0 ACK P ACK a7 a6... a0 ACK R/W=1 1 er byte leído 2º byte leído último byte Stop 23

24 Configuración de la EEPROM 24(L)C65 A nivel interno de la EEPROM se pueden configurar dos aspectos: Zona de Seguridad: memoria protegida ante escritura (desde 0 hasta 15 bloques contiguos de tamaño 4kbits) Se debe enviar a la EEPROM el número del bloque (0 a 15) a partir del cual se establece la protección y el número de bloques a proteger. Por defecto de fábrica, el bloque a partir del cual se establece la protección es el 15 y el número de bloques protegidos 0. Si se pretende escribir en una zona protegida, no se escribirán los datos pero no se produce ningún error ni se aborta la secuencia Dónde se sitúa la zona de 4kbits (512 bytes) de alta duración y resistencia (10 millones de ciclos de borrado/escritura) Por defecto está definido como tal el bloque más alto de la memoria Tanto la zona de alta Durabilidad como la de Seguridad son configurables UNA SOLA VEZ en la EEPROM 24

25 Configuración de la EEPROM: Bloques Protegidos Para indicar los bloques protegidos, el Maestro debe generar un comando de escritura pero colocando un 1 en el bit más significativo de la parte alta de la dirección interna de la EEPROM y en los bits 4 a 1 se indica el número del bloque de 4kbits de partida Esto será reconocido por la EEPROM que generará un ACK, el 2º byte de dirección no importa lo que contiene, finalmente en el 3 er byte, el bit 7 debe estar a 1 (S/H) y el bit 6 a 0 (R: escribir Seguridad), los bits 3 a 0 indican el número de bloques a proteger. Tras este byte, el Maestro enviará un bit de STOP Escribir seguridad Dir.Esclavo Bloque de partida Indicativo de acceso a seguridad o alta durabilidad No importa Acceso a Seguridad Número de bloques a proteger 25

26 Configuración de la EEPROM: Lectura de Bloques Protegidos También resulta posible conocer mediante un comando especial de lectura, qué bloques de la EEPROM se encuentran protegidos El formato es el indicado abajo, similar al de escritura salvo en el bit R, a partir de ese byte, la EEPROM envía el número del bloque inicial y número de bloques que tiene configurados como protegidos Lectura de la Seguridad Configurada: Leer seguridad Por Maestro 26

27 Configuración de la EEPROM: Bloque de alta durabilidad Para indicar qué bloque será de alta durabilidad, se debe enviar un comando de escritura de configuración: bit más significativo de la dirección a 1, los bits 4 a 1 indican el número de ese bloque, el siguiente byte es indiferente y en el tercer byte se indica configuración de alta durabilidad (S/H=0) y escritura (R=0). El Maestro acaba con un bit de STOP Escribir Dir.Esclavo Bloque de alta durabilidad Indicativo de acceso a seguridad o alta durabilidad No importa Acceso a alta durabilidad 27

28 Configuración de la EEPROM: Lectura de Posición del Bloque de alta durabilidad También resulta posible leer de la EEPROM la ubicación del bloque de 4kbits configurado como de alta durabilidad La transferencia en la línea SDA del bus I2C será la siguiente: Por Maestro 28

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