[Embedded] I2C (Inter-Integrated Circuit) - 2

master device (예: 마이크로 컨트롤러)와 slave device 간에 데이터를 주고받는 방법을 시뮬레이션하는 C로 작성된 I2C 통신 기본 예제를 살펴보자. 이 예제에는 I2C 초기화 함수 설정, 슬레이브로 데이터 전송, 슬레이브로부터 데이터 읽기가 포함된다. 슬레비 장치의 특정 레지스터에 대한 기본적인 읽기 및 쓰기 작업을 보여준다. 실제 애플리케이션에서는 특정 마이크로 컨트롤러의 레지스터와 하드웨어 설정에 따라 코드를 조정할 수 있다.

• 주소 0x3C 에서 슬레이브 장치와 통신하고 있다고 가정하자.
• 마이크로컨트롤러에는 필요한 레지스터 (예: control, status, data 등)가 있는 하드웨어 I2C peripheral이 있다.
• 단순화된 예시이며, 실제 레지스터 이름과 I2C 처리 기능은 마이크로 컨트롤러에 따라 다를 수 있다.

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

#define I2C_BASE_ADDR    0x40005400 // Hypothetical I2C base address
#define I2C_CR1          *((volatile uint32_t*)(I2C_BASE_ADDR + 0x00)) // Control register 1
#define I2C_SR1          *((volatile uint32_t*)(I2C_BASE_ADDR + 0x04)) // Status register 1
#define I2C_DR           *((volatile uint32_t*)(I2C_BASE_ADDR + 0x10)) // Data register
#define I2C_SR1_TXE      (1 << 7)   // Transmit data register empty flag
#define I2C_SR1_RXNE     (1 << 6)   // Receive data register not empty flag
#define I2C_SR1_SB       (1 << 0)   // Start bit flag
#define I2C_SR1_ADDR     (1 << 1)   // Address sent flag
#define I2C_CR1_START    (1 << 8)   // Start generation
#define I2C_CR1_STOP     (1 << 9)   // Stop generation
#define SLAVE_ADDR       0x3C       // I2C address of the slave device

void I2C_init() {
    // Example setup for I2C: initialize control registers, set speed, enable peripheral
    printf("Initializing I2C...\n");
    I2C_CR1 |= 0x01;  // Hypothetical bit to enable I2C peripheral
}

void I2C_start() {
    // Generate start condition
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_START;
    
    // Wait until start bit is set (indicating start condition has been sent)
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_SB));
    printf("I2C start condition sent.\n");
}

void I2C_stop() {
    // Generate stop condition
    I2C_CR1 |= I2C_CR1_STOP;
    printf("I2C stop condition sent.\n");
}

void I2C_write(uint8_t data) {
    // Wait until data register is empty.
    // The data register is automatically emptied by the hardware
    // once the data has been successfully transmitted voer the I2C bus.
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_TXE));
    
    // Write data to the data register
    I2C_DR = data;
    printf("Data 0x%02X written to I2C bus.\n", data);
}

uint8_t I2C_read_ack() {
    // Wait until data is available in the data register
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_RXNE));
    
    // Read data from the data register
    uint8_t data = I2C_DR;
    printf("Data 0x%02X read from I2C bus with ACK.\n", data);
    return data;
}

void I2C_write_byte_to_slave(uint8_t slave_addr, uint8_t reg, uint8_t data) {
    I2C_start(); // Start I2C communication
    
    I2C_write(slave_addr << 1); // Send slave address with write bit (0)
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // Wait for address to be acknowledged
    
    I2C_write(reg); // Send the register address where data should be written
    I2C_write(data); // Send the data byte to write into the register
    
    I2C_stop(); // End I2C communication
}

uint8_t I2C_read_byte_from_slave(uint8_t slave_addr, uint8_t reg) {
    uint8_t data;
    
    I2C_start(); // Start I2C communication
    I2C_write(slave_addr << 1); // Send slave address with write bit (0)
    while (!(I2C_SR1 & I2C_SR1_ADDR)); // Wait for address acknowledgment
    
    I2C_write(reg); // Send the register address to read from
    
    I2C_start(); // Repeat start condition for reading
    I2C_write((slave_addr << 1) | 1); // Send slave address with read bit (1)
    
    data = I2C_read_ack(); // Read data byte with acknowledgment
    I2C_stop(); // End I2C communication
    
    return data;
}

int main() {
    I2C_init(); // Initialize I2C peripheral
    
    // Example: Write 0x55 to register 0x10 of the slave device
    I2C_write_byte_to_slave(SLAVE_ADDR, 0x10, 0x55);
    
    // Example: Read a byte from register 0x10 of the slave device
    uint8_t received_data = I2C_read_byte_from_slave(SLAVE_ADDR, 0x10);
    printf("Received data: 0x%02X\n", received_data);
    
    return 0;
}

 

1. Initialization (I2C_init)
   
   1. I2C peripheral을 활성화해 설정한다. 실제 구성은 설정 속도 (예: standard mode 의 경우 100kHz 또는 fast mode 의 경우 400 kHz), clock stretching 및 기타 I2C 관련 파라미터를 포함해 특정 마이크로컨트롤러에 따라 달라진다.
2. Start and Stop Conditions (I2C_start, I2C_stop)
   1. I2C_start 는 제어 레지스터에서 시작 비트를 설정하여 시작 조건을 생성하고 시작 조건이 전송될 때까지 대기한다(I2C_SR1 의 SB 비트로 표시됨).
   2. I2C_stop 은 I2C 버스에서 통신을 종료하기 위해 정지 조건을 생성한다.
3. Writing Data (I2C Write)
   1. I2C_write 는 데이터 레지스터가 비워질 때까지 기다렸다가 (I2C_SR1 의 TXE 비트로 표시) 데이터 레지스터 (I2C_DR)에 데이터를 쓴다.
   2. 이 함수는 슬레이브 주소, 레지스터 주소, 데이터 자체를 전송하는 데 사용된다.
4. Reading Data (I2C_read_ack)
   1. I2C_read_ack 는 데이터 레지스터가 데이터를 수신할 때까지 기다린 다음 (RXNE 비트로 표시) 레지스터에서 데이터를 읽는다.
   2. 실제 애플리케이션에서는 마스터가 바이트 수신 후 ACK 을 보낼지 NACK 를 보낼지 제어하기 위해 I2C_read_ack (승인) 과 I2C_read_nack (비승인) 을 모두 구현할 수 있다.
5. Sending and Receiving Data
   1. I2C_write_byte_to_slave
      : 슬레이브 장치의 지정된 레지스터에 단일 바이트를 전송한다. 이 함수는 통신을 시작하고 슬레이브 주소와 레지스터 주소를 전송한 다음 데이터를 전송하고 마지막으로 통신을 종료하기 위해 정지 조건을 발생시킨다.
   2. I2C_read_byte_from_slave
      : 슬레이브 장치의 지정된 레지스터에서 단일 바이트를 읽는다. 이 함수는 레지스터를 지정하기 위해 쓰기를 수행한 후 시작 조건을 반복해 읽기 모드로 전환하고 데이터를 읽은 후 정지 조건을 내린다.

Key Points

• Addressing
  : I2C 통신은 마스터가 대상 장치의 7비트 주소를 전송한 후 읽기(1) 또는 쓰기(0) 을 나타내는 단일 비트를 전송하는 것으로 시작된다.
• Repeated Start Condition
  : I2C_read_byte_from_slave 함수에는 동일한 슬레이브 장치에서 레지스터 주소 쓰기부터 레지스터 데이터 읽기로 전환하기 위한 반복 시작 조건이 포함되어 있다.
• Syncrhonization and Timing
  : 전용 하드웨어는 동기화, 시작/정지 조건, 데이터 타이밍을 처리해 안정적인 통신을 보장한다.