El bus I2C

Las siglas I2C corresponden en realidad a I²C que tiene su origen en las iniciales del inglés Inter-Integrated Circuit (IIC = I²C) y que siginifican Circuito Inter-Integrado y vamos a explicar un poco en que consiste este sistema de conexionado.

El bus conocido por las siglas I2C, IIC o I²C, es un bus serie de datos desarrollado en 1982 por Philips Semiconductors (hoy NXP Semiconductors, parte de Qualcomm). Se utiliza principalmente internamente para la comunicación entre diferentes partes de un circuito, por ejemplo, entre un controlador y circuitos periféricos integrados. Posteriormente fue adoptado progresivamente por otros fabricantes hasta convertirse en un estándar del mercado con miles de circuitos integrados de diferentes fabricantes.

I2C también se denomina TWI (Two Wired Interface) únicamente por motivos de licencia, denominación introducida por Atmel. No obstante, la patente caducó en 2006, por lo que actualmente no hay restricción sobre el uso del término I2C.

El bus I2C requiere únicamente dos cables o lineas de señal para su funcionamiento, uno para la señal de reloj (SCL, Serial Clock) y otro para el envío de datos (SDA, Serial Data). Ambas líneas precisan resistencias de pull-up hacia Vcc. Cualquier dispositivo conectado a estas líneas es de drenador o colector abierto (Open Collector), lo cual en combinación con las resistencias pull-up, crea un circuito Wired-AND. En la imagen siguiente vemos el diagrama básico de conexionado del bus con algunos ejemplos de dispositivos. La señal de reloj siempre es generada por el circuito que actúa como Master.

Diagrama de conexión del bus I2C

Para ser reconocido en el bus, cada dispositivo dispone de una dirección física, que se emplea para acceder a cada uno de ellos de forma individual. Esta dirección puede ser fijada por hardware, en cuyo caso se pueden modificar los últimos 3 bits mediante “jumpers” o microinterruptores, o por software.

En general, cada dispositivo conectado al bus debe tener una dirección única. Si tenemos varios dispositivos similares tendremos que cambiar la dirección o, en caso de no ser posible, implementar un bus secundario.

El bus I2C tiene una arquitectura de tipo master-slave, lo que indica que el master es el encargado de controlar al resto de dispositivos tipo slave con los que se comunica y que se comunican con el, teniendo siempre el master prioridad absoluta. El dispositivo master es el que inicia la comunicación con los slaves. Los slaves no pueden iniciar la comunicación (el master tiene que preguntarles), ni hablar entre si directamente.

El bus I2C debe ser por lo tanto síncrono, es decir debe existir una señal de reloj que controle las comunicaciones. Es el master el que proporciona la señal de reloj, que mantiene sincronizados a todos los dispositivos del bus. De esta forma, se elimina la necesidad de que cada dispositivo tenga su propio reloj, de tener que acordar una velocidad de transmisión y mecanismos para mantener la transmisión sincronizada como en UART o SPI. En la imagen vemos un cronograma ejemplo del funcionamiento del sistema.

Cronograma de trabajo del bus I2C

El protocolo de comunicación I2C sigue la siguiente secuencia:

• Primero, el master genera la señal de reloj del bus (SCL).
• Se inicia la comunicación por orden del master al establecer la condición de START, que se produce cuando SDA pasa de uno a cero y se mantiene en cero durante un tiempo.
• El master direcciona a los slaves.
• El master indica si se va a leer o escribir.
• El slave direccionado responde con una señal de conformidad ACK (acknowledge).
• Se transmite los datos byte a byte desde SDA al receptor. Por cada pulso desde SCL se transmite un bit de información.
• El destinatario de la información responde con una señal de conformidad ACK.
• Se acaba la comunicación cuando el master establece la condición de STOP, que se produce cuando SDA, por orden del master pasa de cero a uno y se mantiene en uno durante un tiempo.

Son muchos los dispositivos I2C que se pueden direccionar por este bus I2C, siendo lo más común en los dispositivos para I2C que utilicen direcciones de 7 bits, aunque existen dispositivos de 10 bits, pero es un caso raro. Una dirección de 7 bits implica que se pueden poner hasta 128 (27) dispositivos sobre un bus I2C. Hemos visto que las direcciones son de 8 bits y esto es porque el bit extra de los 7 de la dirección lo emplea el master para informar al slave si va a leer o escribir. Si el bit de lectura/escritura es cero, el dispositivo master está escribiendo en el slave. Si el bit es 1 el master está leyendo desde el slave. La dirección de 7 bit se coloca en los 7 bits más significativos del byte y el bit de lectura/escritura es el bit menos significativo.