[STM32] 15. I2C 통신 개요

📌 1. I2C(Inter-Integrated Circuit)란 무엇인가?

I2C는 원래 1982년 필립스 반도체가 만든 집적 회로 사이에 사용되는 2선 직렬 통신 시스템이다.
I2C는 다중 마스터, 다중 슬레이브, 동기식, 양방향, 반이중 직렬 통신 버스이다.

• SDA(Serial Data)는 마스터와 슬레이브가 정보(비트 시퀀스)를 전송하거나 수신하는 라인이다.
• SCL(Serial Clock)은 데이터 흐름 동기화를 위한 클럭 전용 라인이다.

I2C 통신 회로

SDA 및 SCL 라인은 저항으로 끌어올려야 한다. 이 저항의 값은 버스 길이(버스 커패시턴스)와 전송 속도에 따라 달라진다. 보통 4.7K옴에서 10K옴 사이를 사용한다.
위 I2C 통신 회로도를  보면, VDD(전원) 측에 Rp(저항)이 풀업으로 달려있는 것을 확인할 수 있다. 이는 IDLE 상태(통신을 하고 있지 않을 때)에서 신호가 HIGH 레벨을 유지하고 있으며, 통신을 개시하면 신호가 LOW 레벨로 떨어지는 것을 의미한다. 소프트웨어 구현하는 것도 중요하지만 I2C는 풀업 저항이 굉장히 중요하므로 이를 간과해서는 안된다. 

​I2C는 세가지 모드를 지원한다. 대부분 I2C를 지원하는 MCU는 Fast Mode를 지원한다.

• 최대 100kbit/s의 비트 전송률을 가진 표준 모드(Standard mode)
• 최대 400kbit/s의 비트 전송 속도를 제공하는 Fm(Fast-Mode)
• 최대 1Mbit/s의 비트 전송 속도를 제공하는 Fm+(Fast-Mode Plus)

📌 2. I2C 데이터 전송 포맷

I2C 통신에서는 하기 신호들을 통해 마스터와 슬레이브가 통신을 한다.

• Start Condition (S)
• Stop Condition (P)
• Repeated Start (Restart) Condition (Sr)
• Acknowledge ACK (A)
• Not Acknowledge NACK (/A)

⚙️ 1. Start Condition (S)

• Start Condition은 I2C 통신이 시작될 때 생성된다.
• 마스터 장치가 데이터 전송을 시작할 때 SCL이 HIGH인 동안 SDA 라인이 HIGH에서 LOW로 전환된다.
• 이 신호는 모든 슬레이브 장치에게 데이터 전송이 시작되었음을 알린다.

⚙️ 2. Stop Condition (P)

• Stop Condition은 I2C 통신이 종료될 때 생성된다.
• 마스터 장치가 데이터 전송을 종료할 때 SCL이 HIGH인 동안 SDA 라인이 LOW에서 HIGH로 전환된다.
• 이 신호는 모든 슬레이브 장치에게 데이터 전송이 끝났음을 알린다.

⚙️ 3. Repeated Start (Restart) Condition (Sr)

• Repeated Start Condition은 통신 중에 연속된 데이터 전송을 위해 사용된다.
• 마스터 장치가 데이터 전송을 중단하지 않고 다음 전송을 시작하고자 할 때 사용된다.
• 이는 일반적인 Start Condition과 동일하게 SCL이 HIGH인 동안 SDA 라인이 HIGH에서 LOW로 전환된다.
• Repeated Start는 슬레이브 장치에게 통신이 계속 진행 중임을 알리며, 새로운 주소나 데이터 전송을 시작할 수 있게 한다.

⚙️ 4. Acknowledge ACK (A)

• Acknowledge는 수신 장치가 데이터를 성공적으로 수신했음을 나타내는 신호이다.
• 데이터 바이트가 전송된 후 수신 장치는 SCL의 HIGH 동안 SDA 라인을 LOW로 유지하여 ACK 신호를 보낸다.
• 이는 마스터에게 데이터가 올바르게 수신되었음을 알린다.

⚙️ 5. Not Acknowledge NACK (/A)

• Not Acknowledge는 수신 장치가 데이터를 성공적으로 수신하지 못했거나 더 이상 데이터를 받을 준비가 되지 않았음을 나타내는 신호이다.
• 데이터 바이트가 전송된 후 수신 장치는 SCL의 HIGH 동안 SDA 라인을 HIGH로 유지하여 NACK 신호를 보낸다.
• 이는 마스터에게 데이터가 제대로 수신되지 않았음을 알리거나, 통신을 종료하도록 요청하는 신호이다.

📌 3. I2C 데이터 전송 시퀀스

• 시작: Start Condition (S)
  • 주소 전송: 슬레이브 주소 (7비트) + R/W 비트 (0: Wirte)
  • 0x28u 주소를 가지는 슬레이브에게 Write를 하고 싶다면, 아래와 같이 주소를 쉬프트 하면 된다.
  • 0x28u << 1 = 0x50u
  • 0x28u 주소를 가지는 슬레이브에게 Read를 하고 싶다면, 아래와 같이 주소를 쉬프트하고 LSB를 0x1로 OR 연산을 하면 된다.
  • (0x28u << 1) | 0x01u = 0x51u
• 슬레이브 ACK: 슬레이브가 ACK 전송
• 데이터 전송: 데이터 바이트 (8비트)
• 슬레이브 ACK: 슬레이브가 ACK 전송
• 추가 데이터 전송 (필요 시): 반복적으로 데이터 바이트와 ACK 전송
• 종료: Stop Condition (P)

이해하고 나면 별거 없다. STM32로 위 정보들을 이해할 수 있다면 충분히 MCU로 I2C 통신을 사용하는 센서들을 충분히 제어할 수 있다. 다음 글은 I2C 통신을 사용하는 센서 하나를 소개하고자 한다. 남들처럼 LCD 제어, RTC, EEPROM이 아닌 재미난걸 소개하려 한다.