IoT (3) - I2C 프로토콜
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3. I2C 프로토콜
I2C 프로토콜은 두 라인을 이용해 데이터를 교환하는 시리얼 통신 방식이다. 특정 디바이스에서는 Two-Wired Interface (TWI) 라고 부르지만, 정식 명칭은 Inter-Integrated Circuit (I2C) 이고, 하나의 Master에서 여러 개의 Slave를 제어하기 위해 고안되었다(N by N 통신; N 개의 Master와 N 개의 Slave 사이의 통신)
Notice: 본 포스트에서의 Master는 I2C 통신을 시작하는 모듈로서 Slave 모듈을 제어하거나 Slave 모듈로부터 데이터를 요청하는 I2C 디바이스를 통칭한다.
3.1 I2C 프로토콜 특징
I2C 프로토콜은 하나의 데이터 라인 (SDA)과 하나의 클럭 라인 (SCL)을 이용하는 동기식 (synchronous) 시리얼 통신 방식이다. 하드웨어 구조는 복잡하지만, 위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 서로 다른 모듈간의 wiring 연결이 간단하고, 하나의 Master에서 여러 개의 Slave를 제어할 수 있다는 특징이 있다.
데이터 교환 전, I2C 모듈 사이의 SCL/SDA 라인은 모두 1 = High 상태를 유지한다. 이후, 통신이 시작되면 데이터 라인은 클럭 라인보다 먼저 0 = Low 신호로 변하게 된다 (falling-edge). 반대로 통신이 종료되는 시점에는 SCL -> SDA 순서로 각각의 신호가 0 에서 1 로 (rising-edge) 돌아오게 된다(위 그림 참조). 다음의 그림에서 볼 수 있듯이, Start/Stop 시점을 제외한, 실제 데이터의 교환은 모두 SCL = 1 을 유지하는 순간에 수행되는 것을 볼 수 있다 (MSB -> LSB).
I2C 통신에서 공통의 SCL/SDA 라인을 이용해 하나의 Master로 여러 개의 Slave를 제어할 수 있는 이유는 Master에서 Slave의 주소 (Address) 값으로 각각의 모듈을 구분하기 때문이다. Slave의 주소 값은 일반적으로 7 bits 값을 가지기 때문에 이론상 하나의 Master와 128 개의 Slave를 동시에 연결할 수 있다 (개중에는 10 bits 주소를 갖는 모듈도 있다).
데이터 전송 속도는 100 kbps 또는 400 kbps 값을 사용하고 (최근에는 3.4 Mbps 까지 가능한 모듈도 있다), 다음의 그림과 같이 I2C 모듈의 SCL/SDA 핀은 Open-Drain 형태로 되어 있기 때문에, 1 = High 신호를 출력하기 위해서는 외부에 5k ~ 10k 정도의 Pull-up 저항을 연결해줘야 한다 (구체적인 스펙은 I2C 모듈에 따라 상이하다).
3.2 I2C Write 시퀀스
다음은 I2C Write 동작에 대한 데이터 스트림의 예시를 보여준다.
Start 조건 이후, Master는 통신하고자 하는 Slave의 주소 값 7 bits와 R/W 값 1 bit를 전송한다. R/W 값은 Read(1)와 Write(0) 동작을 구분하는 비트이다.
만약, 입력한 Slave 주소에 대응되는 모듈이 있는 경우 해당 Slave는 Master로 ACK 신호를 전달한다. ACK 신호를 전달 받은 Master는 Write 하고자 하는 Slave 내부의 데이터 영역을 선택하기 위해 8 bits 크기의 레지스터 정보를 전송한다. 이 과정은 Write 가능한 레지스터에 대해 수행되어야하며, 문제가 없을 경우 Slave는 다시 ACK 신호를 전달한다. 레지스터 선택을 완료한 이후, Master는 해당 레지스터에 원하는 데이터를 BYTE 단위로 전송하며, 하나의 BYTE 전송이 끝날 때마다 Slave로부터 ACK 신호를 수신한다.
더 이상 Write 할 데이터가 없는 경우에는 Stop 조건을 통해 I2C 통신을 종료한다.
3.3 I2C Read 시퀀스
Read 시퀀스의 경우는 아래 그림과 같은데, 특이한 점은 Read 시작 후 Slave 주소 다음에 오는 R/W 비트 값이 0이라는 점이다.
Master에서는 Read 동작을 수행하는 경우에도, Slave에게 어떤 레지스터 값을 읽어올지 알려줘야 하기 때문에 Write 동작을 먼저 수행한다. 그렇기 때문에, 처음에 Slave 주소를 전송하고 레지스터를 선택하는 시점까지는 Read/Write 시퀀스가 동일한 것을 볼 수 있다.
레지스터를 선택 후, Read 시퀀스에서는 Master가 Start 신호를 다시 전송하며(Repeated START), Slave 주소와 함께 R/W 비트 값을 1로 전송하면, Slave에서는 이전에 선택된 레지스터의 값을 Master로 전송해준다.
Read 종료 시에는 Master에서 Slave로 NACK 신호를 전송하며, Stop 조건을 끝으로 시퀀스가 마무리된다.
3.4 기타 데이터 스트림
Repeated START
I2C 데이터 스트림에서 Repeated START 동작은 Read 시퀀스 또는 10 bits 주소 값을 갖는 Slave에 접근하는 경우 등에 사용된다. 아래 그림을 보면, Stop 조건 없이 SCL/SDA 라인이 1 신호를 유지하고, Start 조건이 다시 수행되는 것을 확인할 수 있다.
10 bits Slave Address
다음은 10 bits 주소 값을 갖는 Slave에 접근하는 경우의 데이터 스트림을 보여준다.
I2C 프로토콜에서는 BYTE 단위로 데이터를 주고 받기 때문에, 10 bits 주소 값을 갖는 Slave에 접근하기 위해서는 위 그림과 같이 주소 정보를 두 번에 걸쳐 전송해야한다. Addr(9:0) 값을 임의의 I2C Slave의 10 bits 주소라고 할 때, 상위 2 bits = Addr(9:8)와 하위 8 bits = Addr(7:0)를 나눠서 전송하며, R/W 비트는 상위 2 bits와 함께 전송한다.
추가로, 위 그림을 보면 상위 2 bits는 11110 신호와 함께 전송되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 10 bits 주소 값을 갖는 Slave에 접근하기 위해 고정적으로 사용되는 값이다. 따라서, 7 bits 주소 값을 갖는 Slave 주소는 11110으로 시작될 수 없으며, 하나의 Master에서 한 번에 제어할 수 있는 7 bits 주소의 Slave는 128 개가 아닌, 124 개가 된다.
Reference
https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c
https://aticleworld.com/i2c-bus-protocol-and-interface/
https://www.robot-electronics.co.uk/i2c-tutorial
Jonathan Valdez and Jared Becker, “Application Report: SLVA704 - Understanding the I2C Bus,” Texas Instrumens, June 2015 [PDF]
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