¿Cuántos esclavos i2c puede soportar un maestro i2c?

¿Existe un número máximo de esclavos i2c que un maestro i2c puede manejar? ¿Cuáles son los factores físicos limitantes?

El factor limitante del software es el tamaño de la dirección utilizada para los esclavos: 7 bits o 10 bits, que admiten 127 y 1023 dispositivos, respectivamente. Físicamente, hay dos restricciones. Primero, el tamaño físico del bus porque el bus solo está diseñado para tiradas cortas (la parte entre IC). Si el bus es demasiado grande, hay efectos de carga capacitiva y retardo de propagación que deben tratarse. En segundo lugar, algunos dispositivos no pueden admitir la gama completa de direcciones I2C. Como ejemplos, el giroscopio MPU6050 solo admite dos direcciones, y algunos dispositivos reservan direcciones específicas para fines especiales.

El número máximo de nodos está limitado por el espacio de direcciones y también por la capacitancia total del bus de 400 pF, lo que restringe las distancias prácticas de comunicación a unos pocos metros.

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El direccionamiento limita el número de dispositivos; algunos pueden usar direccionamiento de 10 bits (se usa con bastante poca frecuencia), lo que limita el número de direcciones a 1024. Hay un puñado de direcciones 'reservadas'.

I2C (en oposición al "bus de dos hilos" o lo que otros quieran llamar buses similares), debe seguir el estándar NXP (née Philips), la especificación UM10204 del bus I2C y el manual del usuario . Ese debería ser su documento de referencia principal, no las diversas interpretaciones y subconjuntos que existen en otros lugares.

El número máximo de dispositivos estará influenciado por la capacidad de conducción de la salida más débil (que a su vez determina la resistencia de pullup mínima), el cableado y la capacitancia de entrada y el modo / frecuencia de funcionamiento. Consulte la sección 7.2 Funcionamiento por encima de la capacidad máxima permitida del bus si se debe exceder la capacidad máxima:

Un bus i2c está limitado principalmente por la capacitancia del bus (y, por lo tanto, la velocidad) y las direcciones accesibles del dispositivo. Y espacio físico en el tablero.

Pero no hay un límite superior real, cuando se tienen en cuenta los búferes de bus, extensores, repetidores, concentradores, multiplexores, conmutadores (o cualquier otro nombre para un dispositivo que puede cambiar entre múltiples buses). Estos agregan algo de sobrecarga de i2c, ya que se puede acceder a través del mismo bus i2c. El PCA9548A, por ejemplo, es un conmutador de bus de 8 bits.

Teóricamente, este chip único puede cuadruplicar el número de esclavos i2c (127 * 8) disponibles de otro modo. Y el PCA9548A se puede configurar para hasta 8 direcciones en un solo bus, por lo que 8 * 8 * 127 dispositivos. (las matemáticas pueden estar apagadas). Y eso es solo con este dispositivo y no más.

Francamente, no hay límite teórico si ajusta la capacitancia.

I2C especifica 2 longitudes de dirección, 7 y 10 bits , lo que proporciona un máximo teórico de 128 y 1024 direcciones distintas, respectivamente.

Sin embargo, hay algunas direcciones reservadas, como 0x00 (llamada general). Esto limita aún más el espacio de direcciones.

Si está creando un sistema en el que tiene control directo sobre los dispositivos I2C, puede usar las direcciones reservadas para su propio uso, pero el sistema ya no cumplirá con el estándar I2C.

Además del direccionamiento, existen las limitaciones físicas del bus. Cada dispositivo en el bus debe ser capaz de tirar del bus hacia abajo en un período de tiempo determinado (dependiendo de la velocidad del bus). Si el bus tiene mucha capacitancia, es posible que los dispositivos no puedan tirar del SDA lo suficientemente rápido y que los pull-ups no hagan que el SDA vuelva a funcionar lo suficientemente rápido.

Ahora, los problemas de hardware pueden superarse con un poco de hardware de controlador. Estoy trabajando en un proyecto en este momento que usa I2C para comunicarse con dispositivos de más de 10s de metros. El bus principal usa 24v, y cada placa tiene un controlador que lo reduce a 3.3v.

En pocas palabras, la limitación física de I2C se puede superar. El direccionamiento se puede superar, pero solo si tiene control directo sobre el dispositivo.

La limitación principal en la cantidad de esclavos que un maestro puede manejar generalmente vendrá de factores eléctricos como la capacitancia del bus, las fugas, la fuerza de la unidad, etc. Si uno pudiera construir esclavos con capacitancia parásita cero y cero fugas, y si uno pudiera conectarlos con trazas de placa de capacitancia cero, entonces la capacitancia del bus no sería un factor, pero en la práctica ninguna suposición se mantendrá.

El direccionamiento de dispositivos que "se conocen" entre sí, por otro lado, no es realmente un problema. Sería trivial diseñar un periférico que permitiera conectar miles de millones de chips utilizando una dirección de lectura y una de escritura. Simplemente especifique que cada dispositivo debe tener una ID única de cuatro bytes y debe escuchar la dirección de escritura todo el tiempo, pero debe abandonar cada transacción cuyos primeros cuatro bytes de datos transmitidos no coincidan con su ID. Además, especifique que los dispositivos solo pueden responder a la dirección de lectura si la última transacción de escritura que escucharon coincide con su dirección.

Si uno quisiera agregar la capacidad de que el maestro determine las ID de todos los esclavos conectados, podría reservar algunos rangos de ID especiales para tales propósitos. Por ejemplo, se podría decir que si el primer byte de ID es FF, los siguientes cuatro bytes serán una máscara y los cuatro siguientes una ID; un dispositivo debe permanecer conectado (y reconocer el último byte de ID) si la parte de su ID especificada por la máscara coincide con la dada en el comando. Esto permitiría que un maestro identifique al menos un dispositivo con 64 transacciones, y dispositivos adicionales con 62 o menos transacciones cada uno. Quizás no sea el medio más rápido posible de identificación del dispositivo, pero no está mal dado un espacio de búsqueda de miles de millones de ID de dispositivos.

Respuesta corta: depende

Si tiene dispositivos (comunes) con direcciones de 7 bits hasta 104 dispositivos (128 direcciones - direcciones reservadas (0x00-0x07 y 0xF0-0xFF están reservadas)) (se aplican ciertas limitaciones) Si tiene dispositivos (menos comunes) que admiten 10 bits direccionamiento de hasta 1024 dispositivos (puede mezclar dispositivos de 7 bits y 10 bits y alcanzar hasta 1136 dispositivos de esa manera)

Ahora a las limitaciones: la mayoría de los dispositivos simples solo se pueden configurar en dos a 8 direcciones diferentes. Puede superar esto ordenando dispositivos personalizados con diferentes direcciones base (pero esto normalmente significa que solicita una cantidad mínima de dispositivos) También hay limitaciones de hardware (principalmente capacitancia de bus), pero esto se puede resolver con controladores i2c especiales.

¡Si desea conectar muchos dispositivos a distancias más grandes, le sugiero que use un bus de campo de todos modos! I2C está destinado a la comunicación dentro de un dispositivo (como un televisor). Yo mismo uso I2C con un RaspberyPi con cables externos de hasta 50 cm (incluso con secciones en T que nunca debería tener en un sistema de bus). Funciona sorprendentemente bien.

El número de dispositivos conectados al bus solo está limitado por la capacitancia total permitida del bus de 400 pF. Debido a que la mayoría de los circuitos integrados con una interfaz I²C utilizan tecnología CMOS de baja potencia y alta impedancia, muchos circuitos integrados pueden conectarse al bus I²C antes de alcanzar esa capacidad máxima

Con chips multiplexores adicionales (como TCA9544A) o memorias intermedias (como PCA9515B) puede superar todos los límites , tanto la capacitancia del bus como el direccionamiento.

Puede colocar 3 dispositivos con direcciones idénticas detrás de un multiplexor y seleccionar solo uno de ellos, comunicarse con él y luego seleccionar otro. Por supuesto, el software se vuelve más complejo.

Si tiene un cableado largo, puede colocar un búfer en el medio y superar el límite de capacitancia.