I2C Nedir?

Giriş

Inter-Integrated Circuit (Entegre Devreler Arası Haberleşme) genel olarak devre üzeri haberleşme yapılarında kullanılır. Sensör, işlemciler arası haberleşme veya çeşitli haberleşme arayüz entegreleri ile I2C hattı üzerinden iletişim kurulabilir. Bir master birden fazla slavein bulunduğu hattı sürebilir. Böylece master tarafında 2 pin ile bir çok çevresel birim kontrol edilebilir. Bununla birlikte tasarlanacak topolojiye göre aynı hatta birden çok master da bulunabilir.

Kıyaslayacak olursak genelde alternatifi olarak görülen SPI’a göre yavaştır. Daha az pin kullandığı için avantajlıdır. Düşük hızlarda yönetilecek çevre birimleri için mikrodenetleyicinin pin kullanımını optimize etmek için idealdir.

Örnek bağlantı yapısı aşağıdaki gibidir.

Temeller

Temel yapı olarak birimler arasında I2C hattı SDA ve SCL pinlerinden oluşur. Her iki pin normalde HIGH konumundadır. SDA Data hattının LOW a düşmesi ile haberleşme hattı iletime başlar. Yapılar SCL clock sinyali ile senkron olarak çalışır.

• SDA: Data. Verinin o anki yönüne göre Master’dan Slave’e veya tam tersi olabilir.
• SCL: Clock. Her zaman Master’dan Slave’lere doğrudur.

I2C hattı ile birlikte hat üzerindeki çiplerin de -özel bir izolasyon vs. yoksa- ground hatları birleştirilmelidir.

SCL sinyaline göre öncelikle masterdan hatta konuşacağı enterenin adres bilgisi ve yazma/okuma modu hatta basılır. Sonrasında ilgili çiptemn gelecek acknowlage sinyaline göre haberleşme devam ettirilir.Konuşulacak entegrenin I2C protokol yapısına göre haberleşme half duplex olarak devam eder.

I2C hattında hız değerine göre genellikle 2.2KR-10KR aralığında pull-up direnç kullanılır. Bu değere, kullanılan işlemci ve entegrelerin datasheet dokümanlarında verilen bilgilere göre karar verilir.

Kavramlar

• Master: I2C hattını süren ana yapıdır. Genellikle miroişlemci/mikrodenetleyicidir.
• Slave: I2C hattında bulunan slave entegrelerdir. Bir çok alternatif IC vardır. EEPROM, DAC, ADC, sensör, ekran sürücü, motor sürücü gibi çevre birimleri, CAN, Ethernet, Wifi gibi haberleşme arayüzü sağlayan entegreler I2C hattı ile çalıştırılır.
• Başlatma Koşulu: SCL hattı HIGH’dan LOW’a geçmeden önce SDA hattı HIGH’dan LOW’a geçer.
• Durdurma Koşulu: SCL hattı LOW’dan HIGH’a değiştikten sonra SDA hattı LOW’dan HIGH’a geçer.
• Adres Paketi: Her bir SLAVE’e özgü, MASTER ile konuşmak istediğinde SLAVE’i tanımlayan 7 veya 10 bitlik bir veri.
• Okuma / Yazma Biti: MASTER’ın SLAVE’e (LOW) veri gönderip göndermediğini veya ondan veri istediğini (HIGH) belirten tek bir bit.
• ACK / NACK Bit: Mesajdaki her byteı bir onaylama/onaylama biti izler. Bir adres paketi veya veri paketi başarıyla alındıysa, alıcı cihazdan gönderene bir ACK biti döndürülür.

Görsel Kaynakları:

• https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C
• https://www.circuitbasics.com/basics-of-the-i2c-communication-protocol/

SPI Nedir?

Giriş

Serial Peripheral Interface (Seri Çevresel Arayüz) genel olarak devre üzeri haberleşme yapılarında kullanılır. Sensör, işlemciler arası haberleşme veya çeşitli haberleşme arayüz entegreleri ile SPI hattı üzerinden iletişim kurulabilir.

Temeller

Temel yapı olarak birimler arasında SPI hattı MOSI, MISO, SCK ve CS pininden oluşur. Full duplex olan bir haberleşmede pinler aşağıdaki gibi tanımlanır. SPI hattı bir master tarafından sürülür ve aynı hatta birden fazla slave olabilir. Her bir slave e özel CS pini bulunur. Bu koşulda master tarafında harcanan pin sayısı 3+(hattaki chip sayısı) kadardır. CS hattı genelde LOW aktiftir ancak bazı entegrelerde HIGH aktif CS olabilir.

• MOSI: Master Out Serial Input. Veri akışı Master’dan Slave’e doğrudur.
• MISO: Master Input Serial Output. Veri akışı Slave’den Master’a doğrudur.
• CLK: Clock. Her zaman Master’dan Slave’lere doğrudur.
• CS veya SS: Chip select. Her zaman Master’dan Slave’e doğrudur.

SPI hattı ile birlikte hat üzerindeki çiplerin de -özel bir izolasyon vs. yoksa- ground hatları birleştirilmelidir.

SPI’ın genel veri/frame yapısı aşağıdaki gibidir. Her bir clock darbesi ile bir bit veri transferi gerçekleşir. SPI yapısı senkron bir yapısı olduğu için megabit seviyesinde sorunsuz haberleşme imkanı sağlar. Bazı durumlarda, genellikle slave datasheetlerine göre pull-up direnç kullanmak gerekebilir. Pull-up dirençler sinyal zamanlamalarının doğru bir şekilde çalışmasını sağlar.

Kavramlar

• Master: SPI hattını süren ana yapıdır. Genellikle miroişlemci/mikrodenetleyicidir.
• Slave: SPI hattında bulunan slave entegrelerdir. Bir çok alternatif IC vardır. EEPROM, DAC, ADC, sensör, ekran sürücü, motor sürücü gibi çevre birimleri, CAN, Ethernet, Wifi gibi haberleşme arayüzü sağlayan entegreler SPI hattı ile çalıştırılır.

Görsel Kaynakları:

• https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/spi-serial-peripheral-interface/
• https://tr.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

UART Nedir?

Giriş

Universal Asynchronous Receiver Transmitter (Evrensel Asenkron Alıcı/Verici) kelimelerinin baş harflerinden oluşur. Adından anlaşılabileceği gibi iki ayrı birim arasında asenkron olarak gerçekleştirilen haberleşme protokolüdür. Temel prensip olarak iki tarafın haberleşme hızını bildikleri, başlangıcı, sonu belli haberleşme yapısıdır. Arada senkronlayıcı bir sinyal olmadığı için asenkron olarak isimlendirilir. Mikrodenetleyiciler veya mikroişlemciler üzerinde gerçekleştirilen uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Arduino gibi low-level veya Raspberry Pi gibi high-level geliştirme kartlarında muhakkak karşınıza çıkar. Anlaması, uygulaması ve geliştirilmesi basit bir yapı olduğu için bir çok uygulamanın ve sistemin temelini oluşturur. Devre içi haberleşmede kullanıldığı gibi uzak mesafelere kablolu iletimde de temeli oluşturur. RS232, RS485, RS422 gibi fiziksel katmanlara da imkan verdiği için otomasyon, kontrol, ve robotik gibi bir çok alanda kullanımı vardır. Bu katmanlar ile veri kilometrelerce uzağa iletilebilir ve bir hat üzerine ikiden fazla cihaz bağlanabilir.

Temeller

Temel yapı olarak iki birim arasında Rx ve Tx çiftineden oluşur. Karşılıklı veri alış-verişi yapabilmek için RxTx çifti TxRx çifti ile eşleşerek çalışır. Full-duplex bir UART yapısında Rx, Tx bağımsız birer modül gibi çalışır.

Aşağıdaki gibi ara bir fiziksel bağlantı olmadan direkt UART haberleşmesi kullanılacaksa ground lar birleştirilmelidir. Veri Tx hattından Rx’e gider. Pinler fiziksel olarak Tx çıkış, Rx giriş modundadır.

UART’ın genel veri/frame yapısı aşağıdaki gibidir. Tx pini normal durumda HIGH konumunda bekler. LOW’a düştüğü anda frame transferi başlar. Bu noktadan sonra UART yapısı 8 biti kendi register ı üzerine kayıt eder. Eğer stop bitini de doğru şekilde alırsa bir byte alındığına dair bir flag set eder veya ilgili interrupta girer. Tx tarafında ise Tx modülü busy flag’i düşer veya ready flag’i kalkar veya complete interruptına girebilir.

Kavramlar

• Data Frame: Aktarılan asıl veridir. 5–9 arası değişebilir/ayarlanabilir. Bazı işlemcilerde sabitte olabilir.
• Baud rate/Bit rate: Bir bitin gönderilme frekansı. (1/baud rate) Bir bitin iletilme süresi. 1-bit start 1-bit stop bitten oluşan bir paketin gönderilme süresi (10/baud rate) kadar sürer.

• Start Bit: Başlangıç bitidir. Standard bir yapıda (1/baud rate) kadar sürer ve LOW seviyedir.
• Stop Bit: Sonlandırma bitidir. Standard bir yapıda (1/baud rate) kadar sürer ve HIGH seviyedir. Bir hatadan dolayı LOW olarak okunursa ilgili paket hatalı olarak sınıflandırılır.
• Parity Bit: Doğrulama bitidir. Genelde opsiyonel olarak kullanılır. Bir paket içerisindeki bitlere göre hesaplanır. Even veya Odd seçilir. Bu koşula göre hesaplanan bit pakete uygunsa paket sağlamdır. Değilse paket içerisinde hatalı bir bit vardır.

Lojik Seviye

Bu kısımda yer alan bilgiler lojik tasarım ile ilgilenen kişilerin ilgisini çekebilir. FPGA, CPLD gibi yapılarda UART modülü aşağıdaki mantıklar çerçevesinde tasarlanır. Modüllerin giriş çıkışları kullanılacak yapılara göre farklı şekillerde genişletilebilir. Örnek olarak hiç bir veriyi kaçırmamak için UART RX modülünün arkasına bir FIFO yapısı bağlanır ve ana kontrol modülü verileri FIFO üzerinden çeker. Bu durumda RX modülü ile FIFO’nun senkron çalışması için -varsa- gereken kontrol pinleri eklenir.

Bu kısımda genellikle modüllerin RTL gösterimi yer alacaktır. RTL lojik tasarımlarda register-transfer level gösterimidir.

RX Bloğu

Alıcı yapı, belirlenen UART hızının birkaç katı hızla çalışır. Örnek olarak STM32 işlemcilerde 8 veya 16 örneklem alır. Bunun sebebi alınan frame i doğrulamaktır. Bir bit gelecek zamanda farklı değerler okunursa o frame hatalı kabul edilir.

rx hattından yeni bir veri gelip iletim tamamlandığında Data_ready çıkışı HIGH olur ve ana kontrol yapısı Data_output üzerinden register a yazılan veri okunur.

TX Bloğu

Gönderici yapı alıcı yapıya göre daha basittir. Kendi içerisindeki paralel veriyi txTrigger sinyali ile UART baud rate hızında seri hattan gönderir. Genellikle ek bir doğrulama veya kontrol gerekmez.

Data_input hattındaki veri start pininin tetiklemesiyle iletime başlar ve frame yapısına uygun olarak(start bit, stop bit, parity) veri tx pini üzerinden aktarılır. Parity hesabının nasıl yapıldığı aşağıdaki şekilde de gösterilmiştir.

Görsel Kaynakları:

• https://www.slideshare.net/n380/uart-vhdl-rtl-design-tutorial
• https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/back-to-basics-the-universal-asynchronous-receiver-transmitter-uart/

Github veya Bitbucket Üzerinden Commit Paketi İndirme

Github ve Bitbucket üzerindeki bir git repodaki commiti paket halinde bilgisayarınıza indirmek için aşağıdaki linkleri kullanabilirsiniz.

https://github.com/{username}/{reponame}/archive/{commitcode}.zip
https://bitbucket.org/{username}/{reponame}/get/{commitcode}.tar.gz