I²C

Logo des I²C-Bus

I²C, für englisch Inter-Integrated Circuit, im Deutschen gesprochen als I-Quadrat-C oder englisch I-Squared-C (ˈaɪ skwɛərd ˈsiː) oder I-2-C (ˈaɪ tuː ˈsiː), ist ein von Philips Semiconductors (heute NXP Semiconductors) entwickelter serieller Datenbus.

Er wird hauptsächlich geräteintern für die Kommunikation zwischen verschiedenen Schaltungsteilen benutzt, z. B. zwischen einem Controller und Peripherie-ICs. Das ursprüngliche System wurde von Philips in den frühen 1980er Jahren entwickelt, um verschiedene Chips in Fernsehgeräten einfach steuern zu können. Seit Mitte der 1990er Jahre wird I²C auch von einigen Wettbewerbern zur Bezeichnung von Philips-kompatiblen I²C-Systemen verwendet, darunter Siemens AG (später Infineon Technologies AG), NEC, STMicroelectronics, Motorola (später Freescale), Intersil, etc.

Einige Hersteller verwenden die Bezeichnung TWI (Two-Wire Interface), obwohl I²C kein eingetragenes Markenzeichen von NXP Semiconductors ist. Markenschutz besteht lediglich für das Logo. Technisch sind TWI und I²C identisch.

Seit 1. Oktober 2006 fallen für die Implementierung von I²C in eigenen elektronischen Schaltungen keine Lizenzkosten mehr an, da das ursprüngliche Patent ausgelaufen ist.

Geschichte

1992 wurde die erste Spezifikation 1.0 veröffentlicht. Diese ergänzte den ursprünglichen Standard mit 100 kbit/s um einen neuen „schnellen“ Modus mit 400 kbit/s und erweiterte den Adressraum um einen 10-Bit-Modus, so dass statt der ursprünglichen 112 Knoten seitdem bis zu 1136 unterstützt werden. Mit Version 2.0 aus dem Jahr 1998 kam ein „Hochgeschwindigkeits-Modus“ mit max. 3,4 Mbit/s dazu, wobei die Strom- und Spannungsanforderungen in diesem Modus gesenkt wurden. Version 2.1 von 2000 enthält nur kleinere Aktualisierungen gegenüber 2.0. Aktuell gültig ist Version 3.0 von 2007, die einen „extra schnellen“ Modus (Fast-mode Plus) mit bis zu 1 Mbit/s einführt, der im Gegensatz zum „Hochgeschwindigkeits-Modus“ dasselbe Protokoll verwendet wie die 100-kbit/s- und 400-kbit/s-Modi.

Definition

I²C ist als Master-Slave-Bus konzipiert. Der Master sendet, und ein Slave reagiert darauf. Mehrere Master sind möglich (Multimaster-Mode). Die Buszuteilung (Arbitrierung) ist dabei per Spezifikation geregelt.

Elektrische Definition

I²C-Bus mit einem Master und drei Slaves

Im Diagramm rechts sind drei Geräte eingezeichnet. I²C benötigt zwei Signalleitungen: Takt- (SCL) und Datenleitung (SDA). Beide liegen mit den Pull-up-Widerständen R_P an der Versorgungsspannung V_DD. Sämtliche daran angeschlossenen Geräte haben Open-Collector-Ausgänge, was zusammen mit den Pull-up-Widerständen eine Wired-AND-Schaltung ergibt. Der High-Pegel soll mindestens 0,7×V_DD betragen und der Low-Pegel soll höchstens bei 0,3×V_DD liegen. Die im Bild nicht eingezeichneten Serienwiderstände R_S an den Eingängen der Geräte sind optional und werden als Schutzwiderstände verwendet.

Takt und Zustände des Busses

Zeitverhalten am I²C-Bus: Zwischen dem Start-Signal (S) und dem Stopp-Signal (P) werden die Datenbits B₁ bis B_N übertragen.

Der Bustakt wird immer vom Master ausgegeben. Für die verschiedenen Modi ist jeweils ein maximal erlaubter Bustakt vorgegeben. In der Regel können aber auch beliebig langsamere Taktraten verwendet werden, falls diese vom Master-Interface unterstützt werden. Die folgende Tabelle listet die maximal erlaubten Taktraten auf.

Modus	maximale Taktrate
Standard Mode	100 kHz
Fast Mode	400 kHz
Fast Mode Plus	1 MHz
High Speed Mode	3,4 MHz

Wenn der Slave mehr Zeit benötigt, als durch den Takt des Masters vorgegeben ist, kann er zwischen der Übertragung einzelner Bytes den Clock auf low halten (clock stretching) und so den Master bremsen.

Daten (Einzelbits) sind nur gültig, wenn sich ihr logischer Pegel während einer Clock-High-Phase nicht ändert. Ausnahmen davon sind das Start-, Stop- und Repeated Start-Signal. Das Start-Signal ist eine fallende Flanke auf SDA, während SCL high ist, das Stop-Signal ist eine steigende Flanke auf SDA, während SCL high ist. Repeated Start sieht genauso aus wie das Start-Signal.

Eine Dateneinheit besteht aus 8 Datenbits = 1 Oktett ( welche Protokollbedingt entweder als Wert oder als Adresse interpretiert werden ) und einem ACK-Bit. Dieses Bestätigungsbit (Acknowledge) wird durch einen Low-Pegel auf der Datenleitung von Seiten des Slaves während der neunten Takt-High-Phase (welcher nach wie vor vom Master generiert wird) und als NACK (für engl. not acknowledge) durch einen High-Pegel signalisiert. Der Slave muss den L-Pegel an der Datenleitung anlegen BEVOR der CLK auf High geht, andernfalls würden weitere eventuelle Teilnehmer ein „STOP-Signal“ lesen.

Adressierung

Eine Standard-I²C-Adresse ist das erste vom Master gesendete Byte, wobei die ersten sieben Bit die eigentliche Adresse darstellen und das achte Bit (R/W-Bit) die Lese- oder Schreibrichtung festlegt (0 für schreiben, 1 für lesen). I²C nutzt daher einen Adressraum von 7 Bit, was bis zu 112 Knoten auf einem Bus erlaubt (16 der 128 möglichen Adressen sind für Sonderzwecke reserviert).

Jeder I²C-fähige IC hat eine vom Hersteller festgelegte Adresse, von der bisweilen die untersten drei Bits (Subadresse genannt) über drei Steuerpins festgelegt werden können. In diesem Fall können bis zu acht gleichartige ICs an einem I²C-Bus betrieben werden. Wenn nicht, müssen mehrere gleiche ICs mit getrennten I²C-Bussen angesteuert oder abgetrennt werden können.

Wegen Adressknappheit wurde später eine 10-Bit-Adressierung eingeführt. Sie ist abwärtskompatibel zum 7-Bit-Standard durch Nutzung von 4 der 16 reservierten Adressen. Beide Adressierungsarten sind gleichzeitig verwendbar, was bis zu 1136 Knoten auf einem Bus erlaubt.

Übertragungsprotokoll

Der Beginn einer Übertragung wird mit dem Start-Signal vom Master angezeigt, dann folgt die Adresse. Diese wird durch das ACK-Bit vom entsprechenden Slave bestätigt. Abhängig vom R/W-Bit werden nun Daten Byte-weise geschrieben (Daten an Slave) oder gelesen (Daten vom Slave). Das ACK beim Schreiben wird vom Slave gesendet und beim Lesen vom Master. Das letzte Byte eines Lesezugriffs wird vom Master mit einem NACK quittiert, um das Ende der Übertragung anzuzeigen. Eine Übertragung wird durch das Stop-Signal beendet. Alternativ kann auch ein Repeated Start am Beginn einer erneuten Übertragung gesendet werden, ohne die vorhergehende Übertragung mit einem Stop-Signal zu beenden.

Alle Bytes werden dabei „Most Significant Bit First“ übertragen.

Für den High Speed Mode wird zuerst im Fast oder Standard Mode ein Master Code geschickt, bevor auf die erhöhte Frequenz umgeschaltet wird.

Der I²C-Bus ist von der Definition her recht einfach, aber auch störanfällig. Diese Tatsache schränkt die Verwendung auf störungsarme Anwendungsbereiche ein, wo weder mit Übersprechen, Rauschen, EMV-Problemen noch mit Kontaktproblemen (Stecker, Buchsen) zu rechnen ist.

Verwendung

Eine Eigenschaft von I²C ist die Tatsache, dass ein Mikrocontroller ein ganzes Netzwerk an integrierten Schaltungen mit nur zwei I/O-Pins und einfacher Software kontrollieren kann. Busse dieses Typs wurden realisiert, da ein nicht unerheblicher Teil der Kosten einer integrierten Schaltung und der verwendeten Leiterplatte von der Größe des Gehäuses und der Anzahl der Pins abhängt. Ein großes Gehäuse hat mehr Pins, braucht mehr Platz auf der Leiterplatte und hat mehr Verbindungen, die versagen können. All das steigert die Entwicklungs-, Produktions- und Testkosten und später auch die Betriebskosten.

Obwohl langsamer als die meisten anderen Bus-Systeme, ist I²C ideal für Peripheriegeräte, die nicht schnell sein müssen. Häufig wird er für die Übertragung von Steuer- und Konfigurationsdaten verwendet. Beispiele sind Lautstärkeregler, Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandler mit niedriger Abtastrate, Echtzeituhren, kleine nichtflüchtige Speicher oder bidirektionale Schalter und Multiplexer. Auch elektronische Sensoren haben oft einen Analog-Digital-Wandler mit I²C-Schnittstelle integriert.

Während des Betriebes können Chips zum Bus hinzugefügt oder entfernt werden (Hot-Plugging).

I²C wird auch als Basis für ACCESS.bus und VESAs Monitordaten-Interface (Display Data Channel, kurz DDC) benutzt. Der vom Prozessorhersteller Intel für die Kommunikation von Mainboard-Komponenten definierte SMBus ist dem I²C-Bus sehr ähnlich, die meisten ICs erlauben einen Betrieb an beiden Bussen.

Große Bedeutung hatte das I²C-Protokoll in der Vergangenheit im Chipkartenbereich. Die in Deutschland verwendete Krankenversichertenkarte ist eine I²C-Karte, d. h. unter den goldenen Kontaktflächen der Chipkarte befindet sich ein einfaches I²C-EEPROM, das vom Kartenleser über das I²C-Protokoll ausgelesen und beschrieben werden kann.

Ungeeignet ist der I²C-Bus zur Überbrückung größerer Entfernungen, wie es beispielsweise für Feldbusse typisch ist. Für Übertragungen zwischen verschiedenen Geräten mit getrennten Gehäusen ist der originale Bus nicht störsicher genug. Er kann jedoch mit Treibern auf ein höheres Strom- und/oder Spannungslevel umgesetzt werden, wodurch der Störabstand und die mögliche Leitungslänge steigt. Ein noch größerer Störabstand ist durch eine Umsetzung auf den physikalischen Layer des CAN-Busses möglich, der mit differentiellen Open-Collector-Signalen arbeitet. Störungen sowohl des SDA- als auch des SCL-Signals resultieren in fehlerhaft übertragenen Daten, die vor allem bei Störungen auf SDA nicht einmal erkannt werden können.

Siehe auch

• SMBus: Technisch sehr ähnlicher Bus, die Bauteile sind oft kompatibel zum I²C-Bus.
• Serial Peripheral Interface: Ein weiterer serieller Bus, der aber Chip Select-Leitungen für den Zugriff auf individuelle ICs benutzt, Totem-Pole-Ausgänge und getrennte Sende- und Empfangsleitungen aufweist.
• 1-Wire: Eine serielle Schnittstelle, die mit einer Datenader auskommt, die sowohl als Stromversorgung als auch als Sende- und Empfangsleitung genutzt wird.
• Display Data Channel (DDC): Serieller Bus zur Kommunikation zwischen PC und Bildschirm, basierend auf dem I²C-Bus.

Weblinks

• The I²C-Bus Specification, Version 3.0, June 2007, Original-Spezifikation von NXP Semiconductors (PDF, engl.; 363 kB)
• The I²C-Bus Specification, Version 2.1, January 2000, Original-Spezifikation von NXP Semiconductors (PDF, engl.; 303 kB)
• www.i2c-bus.org, Detaillierte Information zum I2C-Bus in Deutsch und Englisch
• I²C Bus and Access Bus, Darstellung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede (englisch)
• Eine einfache verständliche Erklärung des I²C-Busses
• Einführung in I²C (hauptsächlich AVR-Beispiele)
• Die Nutzung des I²C-Interfaces am Beispiel des PIC16F876
• Umsetzungen für größeren Störabstand