Er zijn een aantal concepten die je kunnen helpen je droom te
realiseren. Ik kan niet in de ruimte van dit antwoord precies
zeggen hoe je moet implementeren wat je wilt, maar ik kan je de
concepten laten zien die je zullen helpen om het te
implementeren.
Allereerst is er het concept van de busmaster . Dit is
niet noodzakelijkerwijs het apparaat dat communicatie tot stand
brengt - in plaats daarvan is dit het apparaat dat de eigenaar
is van en de bus bedient.
Wanneer een apparaat dat niet de busmaster is, op de bus wil
communiceren, vraagt het eerst toestemming aan de busmaster. De
oude Z80 (nou ja, ik zeg "oud", maar ze zijn tegenwoordig nog in
veel vormen) gebruikte dit concept om andere chips toe te staan
om de data- en adresbussen te gebruiken. Het bestaat uit twee
signalen - BUSRQ en BUSACK. Een apparaat kijkt eerst of BUSRQ of
BUSACK actief zijn en of geen van beide BUSRQ activeert. Als de
busmaster bereid is om de bus op te geven aan het andere apparaat
(hij gebruikt het op dat moment niet), activeert het BUSACK en weet
het andere apparaat dat het de bus kan gebruiken. Niets anders kan
het gebruiken totdat BUSRQ en BUSACK beide zijn vrijgegeven. Mooi
en eenvoudig en elegant.
Maar niet perfect. Als twee apparaten beide besluiten om op
hetzelfde moment om de bus te vragen, krijg je een botsing
. Dit is een veel voorkomend probleem bij gedeelde bussystemen
zoals dit, en veroorzaakt onnoemelijke problemen, tenzij je weet
hoe je het op de juiste manier moet gebruiken.
Voer het concept luister-terwijl-je-praatje in. Dit
betekent dat het apparaat dat de bus verzendt ook luistert naar wat
er op de bus wordt verzonden via een afzonderlijke ontvanger. Het
kan dan weten of wat het in de bus heeft verzonden, is wat er
feitelijk in de bus is terechtgekomen. Als twee apparaten
bijvoorbeeld op hetzelfde moment praten en één
10011001 verzendt en de andere 11001100
verzendt, kan het resultaat dat op de bus verschijnt, uiteindelijk
iets anders zijn, zoals 11011101 of misschien
10001000 , afhankelijk van hoe de bussignalen zijn
gemaakt. Dus als je weet wat je hebt verzonden, kan je er nu iets
aan doen.
Volgend concept: back-off . Dit is waar beide afzenders
een korte periode wachten en proberen opnieuw te verzenden. Zolang
ze beiden een bepaalde tijd uitstellen, zal de eerste die probeert
de bus pakken en kunnen communiceren. Maar hoe garandeer je dat ze
beide voor verschillende tijden uitgesteld zullen worden? U denkt
misschien dat het antwoord eenvoudig is: gebruik een willekeurig
getal, zoals rand() of random() . Maar
dat is ook een probleem:
Another concept: The pseudo random number
generator
De Arduino genereert geen willekeurige getallen. Het gebruikt
gewoon een complexe wiskundige formule om een reeks getallen te
creëren die voor ons willekeurig kijken . Dat zijn ze
echter niet. Schrijf een klein programma om 10 willekeurige nummers
serieel af te drukken en meerdere keren uit te voeren (druk op de
resetknop). U zult steeds dezelfde "willekeurige" nummers in
dezelfde volgorde vinden. Probeer het op een andere Arduino en je
krijgt dezelfde nummers opnieuw. Altijd hetzelfde.
Dus wat te doen? Het antwoord heet seeding de generator
van willekeurige getallen. Het volgende nummer gegenereerd door
rand() et al hangt af van het nummer dat als laatste
is gegenereerd. Dus verander het eerste nummer en de rest
van de nummers zal veranderen. Je hebt echter een
catch-22-situatie. Je hebt een willekeurig nummer nodig om de
generator van willekeurige getallen in te zaaien om het willekeurig
te maken om een willekeurig getal te kunnen genereren om de
toevalsgetalgenerator ... ad infinitum in te zaaien. Zie je waar
dat heengaat? Je kunt niet seeden van rand() omdat
rand() niet willekeurig is totdat je uit een
willekeurige bron hebt gezaaid. Dus je moet een willekeurige bron
vinden.
En dat is geen gemakkelijke taak. De beste bron van
entropy zoals die bekend is, is witte ruis . Dit
kan op een aantal manieren worden gegenereerd met een aantal
verschillende circuits - van de afbraak van een diodeovergang tot
een zeer hoge versterkingsversterking van de thermische fluctuaties
in een weerstand.
Ze zijn allemaal behoorlijk ingewikkeld voor wat je echt wilt,
maar er is een eenvoudigere, zij het iets minder willekeurige
methode: lees een analoge ingang die nergens mee verbonden is. Het
zal niet zoveel bereik hebben als een geschikte entropie-generator,
maar het moet voldoende willekeur bieden om een redelijke kans te
geven dat elk apparaat een ander zaad krijgt.
Een ander nuttig concept is de interrupt.
Dit is goed in een situatie waarin je niet de complexiteit van
een multi-masterbus met alle botsingen wilt, enz. Je hebt één
master die al het werk op de bus doet en wanneer een slave-apparaat
iets belangrijks te zeggen heeft het duwt de meester met een
interrupt. De meester gaat dan "Ja? Wat wil je?" waarop de slaaf
antwoordt: "Iemand heeft op mijn knop gedrukt".
Op die manier pompt de meester niet constant de slaaf om te zien
of de knop is ingedrukt. Het wordt vaak gebruikt in
busarrangementen zoals SPI en er zijn veel chips, zoals
IO-expanderchips, die een onderbreking kunnen doen gelden wanneer
een van hun ingangspinnen van status verandert.
Maar als u 20 apparaten heeft, betekent dit dat u 20
interrupt-pinnen hebt? Niet noodzakelijk. Nieuw concept:
bedraad OF .
Het is perfect mogelijk om meerdere verschillende slaves
allemaal met dezelfde interrupt-pin te gebruiken. De pin wordt
normaal HOOG gehouden met een weerstand (dit kan een interne
pullup-weerstand zijn) en elke slave heeft een open drain
-uitgang die op die pin is aangesloten. Een open afvoeruitgang,
wanneer "uit", is nergens op aangesloten - het is alsof de pin in
de invoermodus is (in feite kan deze worden geëmuleerd op chips die
geen open afvoer hebben door te schakelen tussen de invoer- en
uitvoermodus). Wanneer de uitgang "aan" staat, verbindt deze de pin
met de aarde en trekt de IO-pin naar beneden, net als een knop.
Het is dan aan de meester om zijn weg te banen rond de slaven
waarvan het weet dat ze gehecht zijn aan die interrupt om te zien
wie aandacht nodig heeft. Je kunt natuurlijk een aantal
verschillende interrupt-pinnen implementeren met verschillende
groepen slaves op elke - misschien een hoge prioriteit met slechts
één apparaat, en lagere prioriteit degenen met elk een,
bijvoorbeeld, meerdere apparaten.
Hetzelfde concept van bedrade OF en open
afvoer kan worden gebruikt om meerdere apparaten dezelfde
fysieke draden te laten delen. Dat is precies hoe I2C werkt - de
twee buslijnen worden omhoog getrokken door weerstanden en de
apparaten erop gebruiken open afvoeroutputs om de lijn laag te
trekken om hem weer te hoog te zetten om de verschillende logische
niveaus te creëren. Als twee apparaten het samen laag trekken, is
het net laag. Zonder de open drain-methode als je had dat een
apparaat een 1 en een ander uitvoerde met een 0, zou je in principe
een kortsluiting krijgen tussen de twee en zou je uiteindelijk
chips beschadigen.
En dan heb je natuurlijk het concept van synchrone versus
asynchrone communicatie, maar dat is een heel ander soort vis.
Simpel gezegd, protocollen met een klok, zoals SPI en I2C, die een
master hebben die die klok genereert, zijn synchroon. Protocollen
zoals de UART en RS-232, RS-485, enz. Zijn asynchroon - ze
vertrouwen op beide uiteinden afspreken hoe snel gegevens worden
verzonden (baudrate), zodat ze weten hoe de signalen te
interpreteren als ze aankomen.