I2Cの通信規格

I2C通信の規格について

I2Cはお手軽にネットワークを組めるので便利なのですが、そのためには通信の規格をある程度知っておく必要があります。“スタートコンディション”や“ストップコンディション”、 “アクノリッジ”について触れておきます。また、複数のデバイスがI2Cバス上にあっても、通信相手を特定するためのアドレス指定の方法も押さえておきたいところです。

dsPIC内にはこれらの信号処理をハードウェア的に自動でやっていくれるモジュールがあるので、細かいところまで気にしなくても動作させることはできます。また、 C30コンパイラで用意されているライブラリの関数を使えばプログラムを書くのも難しい作業ではありません。しかし、それでもI2Cのバス・タイミングを意識しないとコーディングの際にイメージできない点がいくつか出てきてしまいます。デバッグの助けにもなりますので、最低限の知識だけでも書き留めておくことにします。

通信速度

I2Cの通信速度は100[kbps]の“標準モード”と400[kbps]の“ファースト・モード”があります。また、3.4[Mbps]まで使える高速モードというのもあったりします。（「ファーストモード」よりも「高速モード」の方が速いんですね・・・名前の付け方が不思議ですね　汗）

何らかのモジュールとI2C通信する際には、そのモジュールに定められている通信速度に合わせる必要があります。また、dsPIC同士で通信する場合はお互いの通信速度を合わせれば通信できてしまうので、そのあたりはテキトーで良いと思います（爆）

通信のタイミング

I2C通信のデータバス（dsPICでいうSDAピン）は、必ずプルアップして使います。よって、dsPIC側から“0”を出力してわざとデータバスの電位を下げない限り、常にSDAピンの電位は“1”となっています。同期クロック（SCLピン）も通信していない場合は“1”となっていて、通信中はクロックとして“0”と“1”を交互に出力することになります。ここでI2Cデータバスの約束として、クロックであるSCLが“1”を出力している間はデータバスであるSDAピンの出力を変化させてはいけない・・・というものがあります。確実に通信するためには、データバスの出力がフラフラしていたら困るからです。

ただし、例外として通信の開始と終了の時だけはクロックが“1”の時にデータバスの電圧を変化させる必要があります。クロックが“1”の時にデータバスを“1”→“0”と変化させることで、I2C接続されているデバイスに「通信開始」を知らせることができます。これは「スタート・コンディション」と呼ばれています。スタート・コンディションを発行できるのはマスター側だけです。I2Cのデータバスはプルアップされているので初期状態で“1”なので、最初に“0”が来たところから通信が始まる・・・という感じでしょうか。

通信を終了するときには、クロックが“1”の時にデータバスを“1”→“0”と変化させます。これを「ストップ・コンディション」と呼びます。スタート・コンディションとは逆の操作になります。ストップ・コンディションを発行できるのも、マスター側だけとなります。通信を開始したマスター側のデバイスは、通信終了時にストップ・コンディションを発行する必要があります。

・・・とはいえ、dsPICでI2C通信をする際にはC30コンパイラのライブラリ関数に“スタートコンディション発行関数” のようなものがあり、これを呼び出すだけで終わりです。ストップコンディションについても同様です。便利ですね。

アクノリッジについて

I2C通信ではマスターが通信を開始してから、どんどんデータ転送をすることになります。しかし、マスターが勝手にデータの送受信を続けるわけではなく、スレーブ側から応答が返ってきていることを確認した上でデータのやり取りをする仕組みになっています。

最初の例として、マスターからスレーブへデータを送信する状況を考えます。
データの送受信の単位は８ビットとなっています。マスターが8ビット分のデータを送信すると、マスターはデータバスを “1”に戻して受信待機状態となります。ここで、スレーブ側が正しくデータ受信されていた場合は、今度はスレーブが送信側となり、1ビットだけ“0”を送信します。このスレーブ側から送られてくる１ビットの“0”をアクノリッジ信号（Acknowledge）と言います。マスターは８ビット送信後アクノリッジが来るまで待っていることで、常に正しく通信することができます。

次に、マスターが受信でスレーブが送信の場合を考えます。
やはり、最初はマスターからスレーブへ送信要求を出します。（これについては次の項参照です）その後、スレーブからアクノリッジが返ってきて、続けてデータが送られてきます。マスターはこれを受信し、 8ビットの区切りでアクノリッジを返す必要があります。スレーブ側では8ビット送信した後マスターからのアクノリッジが返ってくるまで待機しているので、マスターがアクノリッジを返さないと通信が進まなくなってしまいます。

２種類のアドレス送信方式

I2C通信では、１つのデータバスへ複数のデバイスをどんどんつないでいくことが可能です。このことから、I2Cの通信規格では、スタートコンディションを発行して最初に送るデータは「通信する相手のアドレス」となっています。さらに、そのアドレスで指定されたデバイスへ「データを送信」したいのか、逆にそのデバイスから「データを受信」したいのか・・・ということも含めて指定する必要があります。

I2Cのアドレス指定方法は２種類で、“10ビットアドレスモード”と“7ビットアドレスモード”があります。いずれにせよ、I2Cのデータ送受信の単位は8ビットですので、無理やり（？）8ビットのデータ幅に収めて送信することになります。
7ビットアドレスモードの場合は、“7ビットのアドレス＋送信・受信指定ビット”で１つのアドレス指定データとなります。送信・受信指定ビットが“0”なら送信（Write）、“1”なら受信（Read）となります。
10ビットアドレスモードの場合は、最初の8ビットのうち上位5ビットは固定された“11110”で、残り3ビットで “アドレスの上位２ビット＋送信・受信判定ビット”を送信します。次の８ビットは全てアドレスのデータを送信します。