[네트워크] I2C 통신 인터페이스 개요

I2C (Inter-Integrated Circuit) Communication Interface

임베디드 시스템에서 장치 수가 늘어나기 시작하면
UART는 금방 한계를 드러낸다.
핀은 부족하고, 연결해야 할 장치는 많아진다.

이 지점에서 등장하는 것이 I2C 통신 인터페이스다.
I2C는 적은 핀 수로 여러 장치를 하나의 버스에 연결할 수 있도록 설계된
대표적인 버스 기반 직렬 통신 인터페이스다.

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I2C란 무엇인가

I2C
(Inter-Integrated Circuit)

I2C는 이름 그대로
칩과 칩 사이의 통신을 목적으로 만들어진 인터페이스다.

특징은 아주 명확하다.

• 단 두 개의 선
• 여러 장치 연결 가능
• 주소 기반 통신

UART처럼 1:1로만 연결하는 방식이 아니라,
여러 슬레이브 장치를 하나의 선로에 매달아 쓰는 구조다.

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두 개의 선으로 어떻게 통신하나

I2C는 다음 두 신호선을 사용한다.

• SCL (Serial Clock Line)
  → 클럭 신호
• SDA (Serial Data Line)
  → 데이터 신호

이 두 선은 모든 장치가 공유한다.
송신용 선, 수신용 선이 따로 존재하지 않는다.

그래서 I2C는 구조적으로
전이중이 아닌 반이중 통신이다.

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I2C는 동기 통신이다

I2C는 UART와 다르게 클럭을 사용한다.
마스터가 SCL을 생성하고,
모든 슬레이브는 이 클럭에 맞춰 데이터를 주고받는다.

이 덕분에,

• Baud Rate 개념이 없음
• 비트 샘플링 타이밍 문제 없음

대신,

• 클럭을 누가 만들지
• 버스를 누가 제어하는지

가 중요해진다.

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마스터와 슬레이브 구조

I2C는 기본적으로 마스터–슬레이브 구조를 따른다.

• 마스터
  → 클럭 생성
  → 통신 시작 및 종료 제어
• 슬레이브
  → 주소가 호출될 때만 응답

여러 개의 슬레이브가 같은 SDA/SCL 선에 연결되어 있어도,
주소(Address) 덕분에 충돌 없이 통신할 수 있다.

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주소 기반 통신이라는 개념

I2C 통신은 항상 주소 전송으로 시작한다.

마스터는 먼저
“지금부터 누구랑 통신할 건지”를 버스에 알린다.

이 주소를 보고

• 해당 주소를 가진 슬레이브만 응답하고
• 나머지는 조용히 무시한다

이게 가능한 이유는
모든 장치가 항상 SDA를 감시하고 있기 때문이다.

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I2C의 시작과 끝은 신호로 구분된다

I2C에는 별도의 프레임 시작 비트가 없다.
대신 선의 상태 변화 자체가 의미를 가진다.

• START 조건
  → SCL이 High일 때 SDA가 High → Low
• STOP 조건
  → SCL이 High일 때 SDA가 Low → High

이 두 신호로
모든 장치는 “통신이 시작됐다 / 끝났다”를 인지한다.

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ACK / NACK의 존재

I2C에서는 데이터를 주고받을 때마다
응답 비트가 반드시 따라온다.

• ACK (0)
  → 정상 수신
• NACK (1)
  → 수신 거부 또는 종료 의사

이 ACK/NACK 덕분에
I2C는 UART보다 신뢰성이 높은 통신이 된다.

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I2C의 물리적 특징

I2C의 SDA와 SCL은 오픈 드레인(Open-Drain) 방식이다.

즉,

• 직접 High를 만들지 못함
• Low만 당길 수 있음
• High는 풀업 저항에 의해 형성됨

이 구조 덕분에,

• 여러 장치가 같은 선을 공유해도 충돌이 나지 않고
• 멀티 슬레이브 환경이 가능해진다

대신 속도는 빠르지 않다.

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I2C의 성격 정리

I2C는 이런 통신이다.

• 핀 수 최소화
• 여러 장치 연결 가능
• 주소 기반 통신
• ACK 기반 신뢰성
• 속도는 느린 편

그래서 I2C는

• 온도 센서
• EEPROM
• RTC
• 간단한 디바이스 제어

같은 저속·제어 중심 통신에 최적화돼 있다.

 

출처 및 참고 문헌

Embedded System | ShareTechnote