Inter Integrated Circuit

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I2C (Inter Integrated Circuit) è un protocollo digitale di comunicazioni tra circuiti integrati sviluppato inizialmente da Philips/NXP e successivamente sviluppato col nome di SMBUS (System Management Bus) da Intel alla fine del secolo scorso. I2C e SMBUS sono formalmente diversi anche per ragioni di copyright, ma praticamente tutti i dispositivi moderni sono compatibili con entrambi gli standard.

A volte questo standard è indicato come Two-wire Serial Interface in relazione al fatto che utilizza due sole linee (nota 1).

Malgrado non sia uno standard recente è oggi usato in un'ampia gamma di applicazioni:

La maggior parte dei sensori digitali di temperatura, pressione, umidità, luce ecc
Memorie Flash per l'identificazione di schede (per esempio Serial Presence Detect EEPROM (SPD) nelle DIMM dei PC)
Convertitori Analogico Digitali (ADC) per il monitoraggio delle tensioni di alimentazioni, delle batterie e simili
Orologi per computer (RTC Real-Time Clock)

I2C utilizza due linee elettriche: SDA e SCL. Esse collegano un Master (nota 2) ad uno o più Slave. Ciascuno Slave è individuato da un indirizzo normalmente di sette bit. Le uniche comunicazioni ammesse sono tra Master e singolo Slave.

Schema di collegamento I2C

Devono essere presenti due resistori di pull-up in quanto le uscite di tutti i dispositivi sono open drain:

in assenza di attività da parte di master e slave entrambe le linee assumono il livello alto, in genere 3.3 V oppure 5 V
se almeno un dispositivo ha l'uscita pari a 0, tutti gli ingressi collegati alla linea corrispondente assumono un livello basso (zero dominante)

Il clock (Serial CLock) è generato dal master. Gli standard attuali prevedono una frequenza massima di 100 kHz (Standard mode), 400 kHz (Fast mode) e 3.4 MHz (High Speed mode) ed altre, ma in pratica solo la prima è utilizzata; praticamente tutti i dispositivi sono compatibili almeno con Fast mode.

Gli Slave possono bloccare il clock al termine di un byte trasmesso per indicare che non sono pronti a ricevere ulteriori dati (clock stretching). Lo standard I2C non prevede una frequenza minima di clock (nota 3).

La linea dati (Serial DAta) è bidirezionale: i dati possono essere generati dal master oppure da uno solo degli slave, ovviamente non contemporaneamente.

I bit 0 e 1 trasmessi utilizzando SDA possono cambiare solo mentre SCL è basso e devono rimanere costanti mentre SCL è alto:

Bit I2C

Le uniche due eccezioni, entrambe generate dal master, sono i due simboli di Start e Stop che identificano l'inizio e la fine di un frame:

Start e Stop

Il frame scambiato tra master e slave ha lunghezza variabile, inizia sempre con uno Start e termina con uno Stop oppure con un altro Start (re-start).

La struttura tipica di un frame contiene:

L'indirizzo dello slave costituito da sette bit (nota 4), sempre generato dal master
Il bit che indica la volontà del master di trasmettere (Write) o ricevere (Read) dati; solo lo slave indirizzato può successivamente trasmettere o ricevere.
Un numero variabile di byte trasmessi o ricevuti dal master

Ciascun byte trasmesso o ricevuto deve essere riscontrato con un ACK da chi lo riceve, tenendo bassa la linea SDA. Tale bit, a differenza di altri protocolli, non ha il significato di "ricezione senza errori", ma solo di "ricezione".

Di seguito sono mostrati due semplici esempi; il significato di lettere e simboli è il seguente:

S identifica il bit di Start; Sr identifica lo Start ripetuto; P è il bit di Stop
Slave address è l'indirizzo dello slave a sette bit
R è il bit di Read. W è il bit di scrittura
A è l'Acknowledgement (riscontro); Ā il riscontro negativo ed è usato da chi riceve per indicare che non sono attesi ulteriori byte
Data è il dato trasmesso (8 bit)

Il colore utilizzato indica se la linea SDA è pilotata dal Master (blu) o dallo Slave (giallo).

Il primo esempio mostra una semplice richiesta di lettura di un byte fatta dal master al dispositivo:

Frame semplice

Il seguente diagramma temporale mostra i segnali reali. Dall'alto:

SDA (in rosso) è il dato trasmesso, nell'esempio l'indirizzo 0x4D (trasmesso dal master) e il byte 0x15 (trasmesso dallo slave, 21 in decimale)
SCL (in verde) è il clock I2C, con frequenza 100 kHz

Frame semplice: diagramma temporale

Un altro esempio, più complesso:

Il Master scrive un byte allo Slave (data su fondo blu, 0x00 nell'esempio)
Lo Slave risponde con un byte (data su fondo giallo, 0x15 nell'esempio)

Frame "doppio"

Frame doppio: diagramma temporale

Esempi

Arduino: sensori I2c
ESP8266: sensore BMP280
Raspberry PI: I2C da linea di comando. Le stesse procedure sono utilizzabili anche con qualunque PC Linux per esplorare i dispositivi I2C presenti sulla scheda madre (tipicamente i sensori di temperatura, il controllo delle ventole, il modello e le caratteristiche del monitor o delle DIMM di memoria RAM...)
Raspberry PI: I2C in C
Raspberry Pi: I2C con wiringPi (deprecato)
PIC 18: Alla pagina PIC18 e I2C sono presenti numerosi esempio che mostrano l'uso di pic18 come Master e come Slave I2C.

Note

Arduino la indica semplicemente come Wire
SMBUS prevede anche l'opzione multimaster
SMBUS ha introdotto una frequenza minima di clock, limitando la durata del clock stretching
Lo standard prevede anche l'opzione di indirizzi a 10 bit, praticamente mai utilizzato

Pagina creata nel marzo 2022
Ultima modifica: 27 marzo 2023