Komunikasi antar IC dengan IIC

Latar Belakang dan Konsep IIC

Pada  saat  ini  desain  elektronik  dituntut  untuk semakin  ringkas  dan  fleksibel,  dimana  ukuran  fisik  IC semakin diperkecil dan jumlah pin diminimalkan dengan tetap menjaga fleksibilitas dan kompabilitas IC sehingga mudah untuk  digunakan  dalam  berbagai  keperluan  desain  yang berbeda, oleh karenanya banyak perusahaan semikonduktor yang berusaha mengembangkan cara baru komunikasi antar IC yang lebih akomodatif terhadap tuntutan diatas sebagai alternatif dari hubungan antar IC secara paralel (parallel bus) yang sudah kita kenal luas. Salah satu metode yang telah matang dan dipakai secara luas adalah IIC (sering ditulis juga I2C)  singkatan  dari   Inter  Integrated  Circuit  bus  yang dikembangkan oleh Philips Semiconductor sejak tahun 1992, dengan konsep dasar komunikasi 2 arah antar IC dan/atau antar sistem secara serial menggunakan 2 kabel.

Fitur Utama IIC

Fitur utama I2C bus adalah sebagai berikut :

• Hanya  melibatkan  dua  kabel  yaitu  serial  data  line  (selanjutnya   disebut   SDA)   dan  serial  clock    line(selanjutnya disebut SCL).

• Setiap  IC  yang  terhubung  dalam  I2C memiliki alamat  yang unik yang dapat diakses secara  software dengan master/slave  protocol  yang  sederhana,  dan  mampu mengakomodasikan multi master (akan  

dijelaskan lebih detil pada bagian lain).

• I2C merupakan serial bus dengan orientasi data  8 bit(byte),  komunikasi 2 arah, dengan kecepatan transferdata sampai 100Kbit/s pada mode standart dan 3,4 Mbit/s pada mode kecepatan tinggi.

• Jumlah IC yang dapat dihubungkan pada I2C bus hanya dibatasi oleh beban kapasitansi pada bus yaitu maksimum 400pF.

.Keuntungan I2C

  Keuntungan  yang  didapat  dengan  menggunakan  I2C antara lain :

• Meminimalkan  jalur  hubungan  antar  IC  (bandingkandengan parallel bus !).

• Menghemat luasan PCB yang dibutuhkan.

• Membuat  sistem  yang  didesain  berorientasi  software  (mudah diekspan dan diupgrade).

• Membuat   sistem   yang   didesain   menjadi   standart, sehingga dapat dihubungkan dengan sistem lain yang juga menggunakan I2C bus.

 Cara kerja I2C Bus

Sebelum memahami cara kerjanya,  ada beberapa terminologi, karakter dan kondisi penting dalam I2C

yang harus dipahami terlebih dahulu, yaitu :

4.1 Terminologi

• Transmitter yaitu device yang mengirim data ke bus.

• Receiver yaitu device yang menerima data dari bus.

• Master yaitu device yang memiliki inisiatif (memulai dan mengakhiri) transfer data dan yang membangkitkan sinyal  clock.

• Slave yaitu device yang dialamati (diakses berdasarkanalamatnya) oleh Master.

• Multi-master  yaitu  sistem  yang  memungkinkan  lebihdari satu Master melakukan initiatif transfer data dalam waktu yang bersamaan tanpa terjadi   korupsi data.

• Arbitration yaitu prosedur yang memastikan bahwa jikaada lebih dari satu Master melakukan inisiatif transfer  data secara bersamaan, hanya akan ada satu Master yang  diperbolehkan dengan tanpa merusak data yang sedang  ditransfer.

• Synchronization  yaitu  prosedur  untuk  menyelaraskansinyal clock dari dua atau lebih device.

Gambar 1

Contoh Sistem dengan IIC Bus

 Karakter perangkat keras

• Kedua pin pada I2C yaitu SDA dan SCL harus memiliki kemampuan input dan output serta bersifat open drain atau open collector .   

• Kedua pin tersebut terhubung pada I2C bus yang telah di  pull-up dengan resistor ke suplai positif dari  sistem

• Semua device yang terhubung pada bus harus terhubung  pada ground yang sama sebagai referensi.

Gambar 2

Koneksi IIC Bus

Komunikasi antar IC dengan IICKarakter Transfer Data Bit Data  bit  dikirim/diterima  melalui  SDA,  sedangkan sinyal  clock  dikirim/diterima  melalui  SCL,  dimana  dalam setiap transfer data bit satu sinyal clock dihasilkan, transfer data bit dianggap valid jika data bit pada SDA tetap stabil selama sinyal clock high, data bit hanya boleh berubah jika sinyal clock dalam konsisi low, lihat gambar 3.

Gambar 3

Transfer Data Bit Pada I2c Bus

 Karakter Transfer Data Byte I2C Bus berorientasi pada 8 bit data (byte), dengan most significant bit / MSB ditransfer terlebih dulu, serta 2 macam data byte yaitu Address Byte dan Data Byte. Kondisi1. START dan STOP Apabila pada SDA terjadi transisi dari kondisi high ke kondisi low pada saat SCL berkondisi high, maka terjadilah kondisi START. Apabila pada SDA terjadi transisi dari kondisi low ke kondisi high pada saat SCL berkondisi high, maka terjadilah kondisi STOP. Kondisi START dan STOP selalu dibangkitkan oleh Master,  dan  bus  dikatakan  sibuk  setelah  START  dan dikatakan bebas setelah STOP.

Gambar 4

Kondisi Start dan Stop

2. ACK dan NACK Kondisi  ACK  terjadi  apabila  receiver  “menarik” SDA pada kondisi low selama 1 sinyal clock. Kondisi    NACK     terjadi     apabila    receiver “membebaskan”  SDA  pada  kondisi  high selama 1 sinyal clock.

Gambar 5

Kondisi Ack dan Nack

Cara kerja I2C Bus (Format 7 bit address)

                Cara kerja I2C bus dapat dibedakan menjadi format 7 bit addressing dan format 10 bit addressing, dalam artikel ini hanya akan dibahas format 7 bit addressing, untuk format 10 bit addressing dapat anda baca keterangan lengkapnya dalam “The I2C-BUS Specification Version 2.1 January 2000” yangdirilis oleh       Philips   Semiconductor.                Inisiatif komunikasi/transfer   data   selalu   oleh   Master   dengan mengirimkan kondisi START diikuti dengan address byte (7 bit address + 1 bit pengarah/data direction bit) seperti pada ilustrasi dibawah ini

Gambar 6

Format Address Byte

Ada dua jenis komunikasi dasar dalam I2C bus yaitu : • Master-transmitter menulis data ke slave-receiver yang   teralamati • Master-receiver membaca data dari slave-transmitter yang   teralamati

Gambar 7

Transfer Data Lengkap I2c Bus

Gambar 8

Master-Transmitter Menulis Data Ke Slave -Receiver

    Yang Teralamati

Gambar 9

Master-Receiver Membaca Data Dari Slave -Transmitter

    Yang Teralamati

Komunikasi antar IC dengan IIC

Gambar 10

Kombinasi Master-Transmitter dan Master Receiver

Address byte terdiri dari bagian yang tetap dan bagian yang dapat diprogram, bagian yang tetap merupakan bawaan dari IC , sedangkan yang dapat diprogram biasanya berupa pin address pada IC yang bersangkutan, sebagai contoh IC PCF8591, memiliki address byte sbb : 1 0 0 1 A2 A1 A0 , dimana 1001 adalah bagian yang tetap dan A2,A1,A0 adalah bagian yang dapat diprogram sesuai dengan kondisi logika pada pin  IC PCF8591. Sinyal Acknowledge (ACK) terjadi : Dari Slave ke Master Transmitter : •  Sesudah address byte diterima dengan baik oleh slave •  Setiap kali slave selesai menerima data byte dengan baik Dari Master Receiver ke Slave : •  Setiap kali Master selesai menerima data byte dengan     baik Sinyal Negative Acknowledge (NACK) terjadi : Dari Slave ke Master Transmitter : •  Setelah slave gagal menerima address byte dengan baik •  Setiap kali slave gagal menerima data byte dengan baik •  Slave tidak terhubung pada bus Dari Master Receiver ke slave : •   Setelah Master menerima data byte yang terakhir dari     slave  Multi Master Pada I2C bus bisa terjadi situasi dimana lebih dari 1 device  mengambil  initiatif  transfer  data  sebagai  Master, dengan protocol Master/slave dan karakter hardware open drain/open collector yang bersifat wired AND, hal ini tidak menyebabkan terjadinya korupsi data, inilah yang disebut dengan Multi Master. Untuk dapat melakukan Multi Master ada 2 hal yang penting yaitu  Clock Synchronization dan Arbitration. 1. Clock Synchronization

Gambar 11

Clock Synchronization

Karena sifat wired AND dari 2C bus, dimana jika salah satu device menarik bus dalam kondisi low maka device lain tidak dapat membuat bus tersebut menjadi high (sifat dari logika AND), sehingga jika ada lebih dari satu device yang melakukan  initiatif  transfer  data  sebagai  Master  dengan membangkitkan  sinyal  clock  pada  SCL  pada  saat  yang bersamaan harus ada sinkronisasi clock yang dapat dijelaskan (seperti terlihat pada gambar 10 diatas) sebagai berikut : •  Jika Master1 (Clock 1) memulai periode low sinyal clock-    nya, maka SCL menjadi low, Master2 mendeteksi kondisi tersebut dan harus juga memulai    menghitung periode low sinyal clock-nya. •  Saat Master1 (Clock 1) akan memulai periode high sinyal    clock-nya  dan  mendeteksi  bahwa  SCL  masih  dalam kondisi low (disebabkan periode  low sinyal clock dari Master 2 (Clock 2) masih belum selesai) maka dia harus menunggu dan tidak menghitung periode  high sinyal clock-nya terlebih dahulu. •  Saat  Master2  (Clock  2)  memulai  periode  high sinyal    clock-nya,  maka  kondisi  SCL  mehjadi  high,  Master1    (Clock1) yang mendeteksi kondisi tersebut juga harus memulai menghitung periode high sinyal      clock-nya. •  Karena Master 1 (Clock1) terlebih dahulu menyelesaikan    periode high sinyal clock-nya dan memulai periode low maka kondisi SCL menjadi low, maka    Master 2 (Clock 2) yang mendeteksi kondisi tersebut juga harus memulai menghitung  periode     low   sinyal  clock-nya,  demikian seterusnya sehingga terjadilah sinkronisasi sinyal clock    antara Master1 dan Master2. Secara singkat sinkronisasi clock dapat disimpulkan sbb: 1. Jika kondisi SCL tetap low pada saat Master mencoba    membuatnya high, maka Master tersebut harus memulai mengitung periode low sinyal clock-nya 2. Jika Master akan memulai periode high sinyal clock-nya,    maka  Master  tersebut  harus  menunggu  kondisi  SCL menjadi high sebelum memulai menghitung     periode high sinyal clock-nya.   Sehingga sinkronisasi clock yang terbentuk sbb:   Komunikasi antar IC dengan IIC •  Periode low akan mengikuti periode low dari device yang    membangkitkan sinyal clock dengan periode  low yang    terpanjang    Periode high akan mengikuti periode  high dari  device    yang membangkitkan sinyal clock dengan periode high    yang terpendek. 5.2 Arbitration

Gambar 12

Arbitration

Dalam Multi Master, bisa terjadi kemungkinan lebih dari  satu  device melakukan initiatif transfer data menjadi Master, walaupun transfer data hanya bisa dilakukan jika kondisi bus bebas, tetapi sangat memungkinkan  lebih dari satu  device  mendeteksi  kondisi  bus  sebagai  bebas  dan membangkitkan  kondisi  START  sedikit  berselisih  waktu tetapi masih dalam batas-batas kondisi START yang valid. Untuk  kondisi  seperti  dijelaskan  diatas,  maka  arbitration diberlakukan bit demi bit hingga selesai, dimana sekali lagi sifat/karakter  bus  yang  wired  AND  memungkinkan  hal tersebut terjadi.Untuk jelasnya perhatikan gambar 11 diatas yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

• Ambil contoh Master 1 (Data 1) akan mentrasfer data  101xxxxxB   sedangkan   Master               2 (Data 2)   akanmentransfer data 100101xxB.

• Kedua Master mendeteksi bus dalam keadaan bebas, dan  membangkitkan sinyal START yang hampir bersamaan,Master 1 lebih dahulu membangkitkan START sehingga kondisi SDA mengikuti Master 1, baru kemudian Master

2 membangkitkan START, tetapi kondisi START pada SDA masih valid untuk Master2.

• Kedua  Master  mentransfer  MSbit  (sama-sama  “1”), kemudian data bit berikutnya (sama-sama “0”), pada bit

yang berikutnya Master1 berusaha untuk membuat SDA high sesuai dengan data bit-nya, sedangkan   Master 2 berusaha untuk membuat SDA low (sesuai dengan data bit-nya), karena sifat wired AND   dari SDA, maka kondisi SDA  menjadi   low,  karena  itu  Master 1  dikatakan kehilangan   arbitrasi (dengan kata lain bisa disebut sebagai kehilangan kontrol) atas SDA.

• Bagi  Master  1  yang  kehilangan  arbitrasi  bisa  terus membangkitkan sinyal clock sampai transfer data selesaidan bus dalam kondisi bebas lagi, bagi Master 2 yang memenangkan  arbitrasi (mendapat  kontrol)   atas  SDA dapat menyelesaikan transfer data-nya tanpa  ada data yang terkorupsi sama sekali.

Kesimpulan

Komunikasi   I2C   dapat   memenuhi   target   desain elektronika   saat   ini,   dengan   karakter  hardware   dan master/slave protocol yang sederhana tetapi tangguh.Jika digunakan device yang telah dilengkapi dengan kemampuan I2C secara built-in, akan sangat mudah untuk melaksanakan komunikasi baik single Master maupun multi Master,   tetapi   bagi   device   yang   tidak,   masih   dapat mengemulasikan 2C protocol pada pin-pin I/O-nya asalkan memenuhi syarat karakter hardware dengan cukup mudah untuk single Master tetapi sedikit rumit untuk multi Master.

Artikel ini tidak membahas secara lengkap seluruh kemampuan I2C seperti misalnya I2C mode kecepatan tinggi, tetapi cukup detil memberikan gambaran tentang I2C, untuk mengetahui  secara lengkap bisa didapatkan dari referensi untuk artikel ini yang dicantumkan dibawah.

Referensi : THE I2C-BUS SPECIFICATION VERSION 2.1   JANUARY 2000, PHILIPS SEMICONDUCTOR , APPLICATION    NOTE AN435A,PHILIPS   SEMICONDUCTOR, APPLICATION NOTES I2C SPECIFIC   INFORMATION, PHILIPS SEMICONDUCTOR 4.DATA SHEET PCF8591 8-BIT A/D AND D/A   CONVERTER, PHILIPS SEMICONDUCTOR  

Share