I2C (Inter-Intergrated Circuit)

게시 2024/08/09

By Dukgukim

임베디드 시스템 엔지니어링 로드맵

인터페이스 & 프로토콜 파트 중 BASIC

1. I2C (Inter-Integrated Circuit)

1982년 필립스 반도체에서 발명
동기식 , 직렬 통신 방법
짧은 거리의 보드 내 통신으로,
프로세서 및 마이크로 컨트롤러에 저속 주변 장치 집적 회로를 연결하는데 사용함
두개의 선 (SDA, SCL)을 이용하여 다중 마스터와 다중 슬레이브 장치 간의 통신을 지원
SPI와 UART통신의 장점을 가지고 있음
속도보다 단순성과 낮은 제조 비용이 중요한 분야에 사용
장점
두 개의 선만을 사용하여 하드웨어 구현이 간단함
하나의 I2C 버스에 여러 장치를 연결할 수 있어 하드웨어 비용이 절감됨
ACK/NACK 비트를 통해 데이터 전송의 성공 여부 확인 가능
하드웨어 인터페이스가 UART 보다 덜 복잡함
단점
데이터 전송 속도가 상대적으로 느림(HS Mode Plus 기준 3.4Mbps. 표준 모드 100kbps)
근거리 통신을 목적으로 설계되어, 전송거리가 멀어지면 신호 품질이 저하될 수 있음
모든 장치가 I2C 프로토콜을 지원해야하므로, 장치 선택에 제한이 있을 수 있음
데이터 프레임의 크기가 8비트로 제한됨
SPI 보다는 하드웨어 구현이 더 복잡함
2. I2C 통신 원리
하드웨어 구조
장치간의 데이터 통신을 위해서는 두개의 와이어를 필요로함
- SDA(Serial Data) : 마스터와 슬레이브가 서로 주고 받는 데이터 스트림
- SDL(Serial Clock) : 클럭 신호
직렬 통신 프로토콜이므로, SDA를 따라 일련의 비트 단위, 메세지 형태로 전송함
SPI 통신과 마찬가지로 동기식 통신이기 때문에, 마스터 비트의 출력은 마스터와 슬레이브간에 공유되는 클럭 신호에 의해 비트 샘플링이 동기화 됨

시작 조건 (Start condition) : SDA가 High -> Low로 변경되면 시작
중지 조건 (Stop condition) : SCL 와이어를 Low -> High로 전환 후, SDA 와이어도 Low-> High 로 전환 시, 종료
데이터 프레임 구조

주소 프레임(Address Frame)
- 마스터가 특정 슬레이브와 통신하기 위한 슬레이브 고유의 7~10 비트 크기의 데이터 프레임
  - 7bit라면 128개, 10비트라면 1024개 까지 지정가능
- Slave Select, Chip Select와 같은 와이어가 없으므로, 주소 지정(addressing)을 통해 이 작업을 수행함
- 마스터는 연결된 모든 슬레이브에게 통신하려는 슬레이브의 주소를 전송함
- 각 슬레이브는 이를 자신의 주소와 비교
  - 일치하면 SDA의 ACK 비트를 Low로 변경하여 마스터로 다시 전송
  - 주소가 일치하지 않으면 아무 작업도 하지 않고, SDA는 High로 유지
읽기/쓰기 비트(Read/Write Bit)
- 마스터가 슬레이브에 데이터를 송신(Low)하는지 수신(High)하는지 지정
ACK/NACK 비트
- 데이터가 성공적으로 수신되면 ACK 비트가 Low로 변경하여 송신 장치에게 리턴함
데이터 프레임 (Data Frame)
- 마스터가 슬레이브가 전송한 ACK 비트를 감지하면, 주소 지정이 성공적으로 완료된 것으로 간주함
- 데이터 프레임은 항상 8비트이며, 최상위 비트(MSB)부터 전송함
- 각 데이터 뒤에는 ACK/NACK 비트가 위치하여, 데이터가 제대로 수신되었는지를 바로 확인 가능
- 두번째 데이터 프레임을 보내기 위해선, 이전 데이터의 ACK 비트가 확인되어야함

3. I2C 데이터 전송 과정

마스터는 SDA 와이어를 High에서 Low로 전환함.
이 상태에서 SCL 와이어도 High 에서 Low로 전환하여 시작 조건을 모든 슬레이브에게 전송함
마스터는 각 슬레이브에게 통신하려는 슬레이브의 고유 주소를 읽기/쓰기 비트와 함께 전송함
각 슬레이브는 받은 주소를 자신의 주소와 비교 후, 일치하면 SDA 와이어를 통해 ACK Low를 리턴함
마스터는 클럭에 따라 데이터 프레임을 전송하거나 수신함
데이터 프레임이 전송될 때마다 수신 장치는 다른 ACK 비트를 송신자에게 리턴함.
이를 통해 송신 장치는 프레임의 성공적인 수신을 확인함
데이터 전송을 중지하기 위해 마스터는 SCL 와이어를 Low->High로 변환하여,
슬레이브에게 정지 조건을 전송. 이후 SDA 와이어를 Low->High로 변환