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I²C

辞書:科学用語の基礎知識 電子用語編 (NELECY)
読み:アイ・スクウェアード・スィー
読み:アイトゥースィーバス
外語:I2C bus: IIC bus (Inter-IC bus) 英語
品詞:固有名詞
2001/04/29 作成
2014/05/15 更新

オランダのPhilips社が開発したIC間でデータ通信をする半二重方式のシリアルバスインターフェイス

基板上で、さほど速度を要しないIC間の通信が必要な場合によく使われているインターフェイスの一つである。

同規格に基づくIC同士なら、僅か2本の配線で、複数の周辺IC間の相互データ転送や制御ができる。対応するICにはシリアルEEPROMや、A/D、D/Aなど様々なものがある。

この技術は2004(平成16)年8月に特許が切れていることからロイヤルティフリーであることに加え、シンプルで必要十分な性能、僅か2ピンで通信できるのでICを小型軽量に出来る、そしてOSでの実装の多さ(LinuxやBSDで対応している)などから広く普及している。古典的ではあるが現役の技術で、最新のスマートフォンなどでも内部ではこのI²CでIC間が結ばれている。

アドレス

I²Cバスに接続された機器類にはアドレスが割り当てられる。このアドレスを、スレーブアドレスという。

2つのグループ(0000 XXX および 1111 XXX)に対して、各々8個のスレーブアドレスが予約されている。

スレーブアドレスR/W用途
0000 0000ゼネラルコールアドレス
1スタートバイト
0000 001X将来の使用のため予約
0000 010X将来の使用のため予約
0000 011X将来の使用のため予約
0000 1XXX将来の使用のため予約
1111 1XXX将来の使用のため予約
1111 0XXX10ビット・スレーブアドレス指定

信号線

信号線オープンコレクタ(MOSの場合はオープンドレイン)で、シリアルクロック線(SCL)と、シリアルデータ線(SDA)がある。

この2線だけで、制御側(マスター)と、IC(スレーブ)の通信を行なう。

電圧は5V以下、現在は3.3Vが一般的となっている。

通信速度

当初仕様は100kbit/s(100kHz)だったが、拡張が続けられ、これを著している時点では計5種類のモードが存在する。

  • 双方向バス
    • Standard-mode (Sm) 最大100kbit/s
    • Fast-mode (Fm) 最大400kbit/s
    • Fast-mode Plus (Fm+) 最大1Mbit/s
    • High-speed mode (Hs-mode) 最大3.4Mbit/s
  • 片方向バス
    • Ultra Fast-mode (UFm) 最大5Mbit/s

シリアルクロック(SCL)

SCLは、同期を取るための信号線である。通常はマスター→スレーブの一方向である。

SCLがロー(L)の期間にシリアルデータ(SDA)を変更し、SCLをハイ(H)で保持することでその通信を行なう。

シリアルデータ(SDA)

SCLに同期し、データの転送に用いる信号線である。マスター、スレーブ、どちらからも送信されうる。

通信のACK信号もSDAを通じて送信されるため、転送方向は通信中に随時変化する。

送信データ(SDA)は、SCL=Hの間のどこかで確定する。基本的には、立ち上がり・立ち下がりエッジではないので、送信(マスター→スレーブ)の場合、SCL=Hの間はSDAを変化させてはいけない。

送信(マスター→スレーブ)の場合、SCL=Hの間にSDAを変えるのはスタートコンディションとストップコンディションだけであり、通常のSDAの変更はSCL=Lの間に実施しなければならない。

主要デバイス

I²Cが使われることが多い、主なもの(順不同)。

派生技術

I²Cが根幹技術となっている、主な派生技術。

手順

データは、スタートコンディションに始まり、実際のデータ送受信が続き、ストップコンディションで終わる。

スタートコンディション

マスターが通信を開始する前に、バスの使用権を獲得するため、スタートコンディションを発行する。

これは、SCLがハイの状態で、SDAをハイ→ローとすることで行なう。

データ

送受信

バス使用権を獲得した後、データの送受信が行なわれる。

送受信する内容はICによって異なるが、一例では、デバイスアドレス、リード/ライトの区別、デバイス内のメモリーアドレス、実際のデータ、といった形式になる。

アドレス

スレーブアドレス空間は、元々は7ビット。後に10ビットに拡張する規格も作られた。スレーブアドレスは、R/Wおのおので8ずつ、計16が予約されており、特殊な用途に使われる。

7ビットの場合、最初にスレーブ7ビット、次にR/W(スレーブに対してリードするかライトするか)を1ビットで指定する。R/Wのビットは、0でライト、1でリードである。その後、スレーブからACKを受け取る。

制御仕様書などでは、8ビットにまとめて、リード時アドレス/ライト時アドレスなどと呼びわけることもある。

10ビットの拡張仕様では、スレーブアドレスは2回に分けて送る。最初に予約アドレスとなる11110XXとR/Wを送信(XXはスレーブアドレスの2ビット)しACKを受け取り、2回目に残るスレーブの8ビットを送信しACKを受け取る。以降は両者で同様である。

ACK

8ビット送受信するごとに1ビットのACKまたはNOACKがある。

送信(マスター→スレーブ)では、マスターはスレーブからACKを受け取る。受信(スレーブ→マスター)では、マスターは継続して受け取るかどうかをACKまたはNAKでスレーブに対して通知する。

ACKは、SCLがローの状態でSDAをロー(ACK)またはハイ(NOACK)とし、SCLをロー→ハイ→ローとすることで送受信される。

リード中であれば、スレーブからACKが送信され、ライト中であればスレーブに対してNOACKを送信する。

リード

SCLをロー→ハイとすると、スレーブはSDAに1ビットのデータを送信するので、マスターはこれを読み取る。

SCLをローに戻し、再度ロー→ハイとすれば、その次のビットが送信される。これを繰り返す。

ライト

SCLがローの状態でSDAに1ビットのデータを設定し、SCLをロー→ハイとすると、スレーブは1ビットのデータを受信する。

SCLをローに戻し、SDAに1ビットのデータを設定して再度ロー→ハイとすれば、その次のビットがスレーブに送信される。これを繰り返す。

ストップコンディション

データの転送を終えたら、バスを解放するため、ストップコンディションを発行する。

これは、SCLがローの状態でSDAをローにし、SCLをハイ、SDAをハイ、とすることで行なう。

書き込み

マスターからスレーブへの転送(書き込み)を説明する。

マスターからスレーブに対するデータを1オクテット(8ビット)送信すると、スレーブからマスターにACKが返される。この9ビットのまとまりを継続して実施することで、複数のデータをマスターからスレーブに転送することができる。

データの転送を終えたら、マスターはストップコンディションを送出し、通信を終了する。

例えば、ICのレジスター変更などでは、1オクテット目にレジスター番号、2オクテット目に書き込む内容、といったシーケンスがよく見られる。

読み込み

スレーブからマスターへの基本的な転送(読み込み)を説明する。

マスターはスレーブから送られてきたデータを1オクテット(8ビット)受信する。その後、継続して受信するかどうかをACK(SDA=L)またはNAK(SDA=H)としてスレーブに送信する。9ビットのまとまりとして、継続して読み込みが実施できる。

読み込み(アドレス指定)

スレーブからマスターに、アドレスを指定しての転送(読み込み)を説明する。

シリアルEEPROM、あるいはレジスター制御をするICなどでは、書き込みは単純なシーケンスで実施できるが、読み込みは若干複雑なシーケンスが必要である。

標準的なインターフェイスでは、いったんアドレスやレジスターなどの番号を書き込みしたあと、ストップコンディションを発行せずにスタートコンディションを再発行するシーケンスとなる。

最初のアドレスやレジスターを送信するシーケンスはマスター→スレーブの送信になるためR/WはW(SDA=L)で実施し、次にレジスターを読み取るシーケンスはスレーブ→マスターの受信になるためR/WはR(SDA=H)で実施する。

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