SoftI2C: программная шина на любых пинах

Камера таймлапса на балконе отняла у меня два вечера из-за собственной самоуверенности. Экран и часы занимали A4 и A5, понадобился ещё один датчик — и я пересадил его на D7 и D8 с мыслью «ну это же те же два провода». Тишина. Сканер шины видел только старых жильцов. Причина простая и неприятная: Wire держит шину не кодом, а железом — TWI-периферия физически пришита к конкретным ногам, и никакой pinMode её оттуда не утащит. Пересаживать датчик было некуда, а вторую шину хотелось.

Второй сюрприз ждал меня раньше первого: сканер шины на пересаженном датчике молчал не потому, что датчик плох, а потому, что сканер читал аппаратную шину A4/A5 — на D7 и D8 он смотреть не умел в принципе. Железная периферия одна, и все библиотеки поверх Wire разговаривают только с ней. Это полезный урок вообще: если устройство молчит на «перенесённых» пинах, первым делом проверяйте, а существует ли вообще шина на этих пинах.

Выход — нарисовать шину самому: бит-бэнг, он же SoftI2C. Любые два пина, пара функций, и каждый такт выставляет ваш код. В этом уроке разберём механику: открытый сток на digitalWrite и INPUT, обязательные подтяжки, полубит в пять микросекунд, условия START и STOP и девятый такт под ACK. Соберём минимальный передатчик, посмотрим на трассу в замедленной съёмке и честно сравним с аппаратной шиной — где софт выигрывает, а где платит нагрузкой на процессор.

Всё, что видит слейв, — это уровни на двух проводах и их порядок, а железо TWI лишь аккуратно эти уровни выдаёт. Значит, справится и код. Первое правило — открытый сток: линия прижимается к земле парой pinMode(OUTPUT) и digitalWrite(LOW), а «отпускается» переводом пина в INPUT — пин перестаёт давить, и уровень поднимает резистор. Дёргать линию HIGH напрямую выходом нельзя: два устройства, толкающие в разные стороны, греют выходные каскады сквозным током; протокол на этом стоит, о чем я рассказывал в уроке про устройство шины. Второе правило — подтяжки обязательны: отпущенная линия без резистора 4,7 кОм висит в воздухе и читает погоду; раскладка номиналов была в уроке про подключение и подтяжки.

Теперь тайминг. Такт 100 кГц — это десять микросекунд, по пять на полутакт; байт стоит девять тактов — восемь бит плюс подтверждение, около девяноста микросекунд. START — SDA падает, пока SCL высокий; STOP — SDA растёт, пока SCL высокий; между ними по восемь тактов на байт, и в девятом такте мастер отпускает SDA и слушает: прижатая слейвом линия — ACK, согласие принять байт. Это весь протокол; дальше только аккуратность.

Три правила порядка, на которых я сам спотыкался. Первое: тактирует всегда мастер — SCL дёргает только он, слейв не имеет права двигать часы; SDA меняется только при низком SCL, иначе слейв прочитает START или STOP там, где их не было. Второе: биты уходят от старшего к младшему, и первый байт — это семь бит адреса плюс бит направления: адрес 0x3C в режиме записи превращается в 0x78, потому что к семи битам приписан слева ноль. Третье: чтение — те же полубиты наоборот, мастер отпускает SDA на восемь тактов и сам решает судьбу девятого: ACK для «читай дальше», NACK для «хватит».

Писать полубиты руками ради production — редко нужная экзотика: в менеджере библиотек живут готовые решения SoftWire и SoftwareWire, чьи вызовы повторяют привычный Wire — begin, beginTransmission, requestFrom, — а внутри прячутся те же полубиты и открытый сток. Пины задаются в конструкторе. Вызовы повторяют привычный Wire — begin, beginTransmission, requestFrom из урока про анатомию библиотеки Wire — пины задаются в конструкторе, а паузу полубита можно подстроить под линию: длинной шине дам помедленнее, короткой — на максимум. Я беру софт-шину в трёх случаях: нужна вторая независимая шина (два одинаковых экрана 0x3C по разным мирам — альтернатива мультиплексору из урока про TCA9548A); линия длинная и медленная, где сотня килогерц не нужна, а ёмкость проводов душит фронты — тема разбиралась в уроке про длину проводов; и пины A4/A5 просто заняты. Граница та же, что с мультиплексором: свободны A4/A5 — беру аппаратный Wire, он дешевле по процессору и не боится прерываний.

Про честность симуляции скажу прямо: движок не тактирует линии в реальном времени, поэтому полубит в пять микросекунд он показать не может — отсюда замедленная съёмка, где паузу полубита задаёт ползунок. Слейва на шине тоже нет, и девятый такт изображает сам скетч — я отмечаю это в трассе отдельной строкой. Зато последовательность фронтов подлинная: свободная шина, START, биты от старшего к младшему, ACK, STOP — тот же порядок, который покажет логический анализатор за пару сотен рублей, подключённый к настоящим D4 и D5. Трасса заодно подсвечивает главное правило протокола: в каждой строке SDA меняется только при прижатом SCL, а единственные исключения — START и STOP, ради которых такт и разрывается.

Цифры для живой платы прилагаются бесплатно. Тысяча байтов при 100 кГц — около девяноста миллисекунд чистой шины, и всё это время процессор занят выставлением полубитов: аппаратный Wire за тот же кадр отдал бы шину периферии и спокойно считал millis(). При полубите в пять микросекунд на один полутакт у ядра 16 МГц приходится всего восемьдесят тактов — отсюда и потолок софт-шины на Uno, до четырёхсот килогерц кодом не дотянуться без держащихся на честном слове задержек; потолки аппаратной скорости разбирались в уроке про частоту шины.

Первое: поднимите скорость — уменьшите полубит до трёх микросекунд в скетче для платы и проверьте на коротких проводах, что слейв всё ещё отвечает ACK; на длинной линии та же скорость потребует более сильной подтяжки. Второе: допишите приём байта — мастер отпускает SDA на все восемь тактов, а в девятом сам прижимает линию как ACK; на чтении стороны меняются местами. Третье: заведите вторую шину на D6 и D7 и посадите на каждую по одинаковому экрану 0x3C — два независимых мира без мультиплексора; переключение шин теперь одна строка, но и следить придётся за двумя подтяжками.

Четвёртое: измерьте в симуляторе время передачи при паузе 300 мс и пересчитайте его в байты за секунду — потом сравните с расчётом для настоящих 100 кГц, разница вас позабавит примерно в тридцать тысяч раз. Пятое, если полубиты наскучили: поставьте библиотеку SoftwareWire, подставьте D4 и D5 в конструктор и убедитесь, что знакомые вызовы Wire работают на тех же проводах — ручной бит-бэнг останется вам как учебник, а библиотека — как рабочий инструмент. Шестое, контрольное: прервите передачу посреди байта долгим обработчиком кнопки на пине 2 и посмотрите, как растянется такт в трассе — вот наглядная цена соседства софт-шины и прерываний.