I2C

線の電圧

機器の出力は線を Low に下げるか放すかだけです（オープンドレイン）。1 台でも下げていれば線は Low になり、誰も下げなければプルアップ抵抗 $R_p$ を通して $V_{\mathrm{DD}}$ へ戻ります。戻る速さは抵抗と配線の容量 $C_b$ の積で決まります。

立ち上がり時間 $t_r$ は 0.3 $V_{\mathrm{DD}}$ から 0.7 $V_{\mathrm{DD}}$ までの時間です。機器は 0.3 $V_{\mathrm{DD}}$（VIL）より下を Low、0.7 $V_{\mathrm{DD}}$（VIH）より上を High と読み、その間では直前の値を保ちます。

プルアップ抵抗の範囲

下げている機器は Low の電圧 0.4 V で $I_{\mathrm{OL}}$（標準・ファストで 3 mA、ファストプラスで 20 mA）を流せます。抵抗が小さすぎると Low が下がりきらず、大きすぎると立ち上がりが上限（1000・300・120 ns）に間に合いません。

Low の電圧は、下げている機器の出力を抵抗 $R_{\mathrm{on}}=0.4\text{ V}/I_{\mathrm{OL}}$ とみて、$R_p$ との分圧で求めます。

通信の手順

• 開始: SCL が High のまま SDA を Low へ
• ビット: SDA は SCL が Low の間に変え、SCL が High の間に読む
• 最初の 8 ビット: 宛先の 7 ビットのアドレスと読み書きの 1 ビット（0 が書き込み）
• 9 ビット目: 受け手が SDA を Low にすれば ACK、High のままなら NACK
• 読み出しでは、マスタが最後のバイトに NACK を返す
• 終了: SCL が High のまま SDA を High へ
• クロックストレッチ: スレーブが SCL を Low のまま保持し、マスタは High になるまで待つ
• 調停: 1 を送ったのに SDA が Low なら、ほかのマスタが送っている。負けた側は送信をやめ、終了の後に送り直す

出典

1. 開始と終了・ACK・クロックの同期・調停・クロックストレッチ（3.1 節）、入出力と線の特性（表 10・表 11）、プルアップ抵抗の範囲（7.1 節）NXP Semiconductors, UM10204 I2C-bus specification and user manual, Rev. 7.0, 2021

このツールで決めたこと

• 仕様書の Rev. 7.0 はマスタ・スレーブをコントローラ・ターゲットと呼ぶ。画面では広く使われているマスタ・スレーブを使う
• マスタの SCL の Low は周期の 53 %、データを変えるのは SCL の立ち下がりから周期の 12 % 後
• スレーブは SCL の立ち下がりから周期の 10 % 後に SDA を変える
• マスタは SCL を放したあと High になるまで待つ（クロックの同期）。立ち上がりが遅いとクロックが遅くなる
• しきい値のヒステリシスは VIL と VIH の間とし、その間では直前の値を保つ
• クロックストレッチは、宛先のスレーブがアドレスの ACK の後に 3.2 周期だけ保持する
• 2 台目のマスタは同時に送り始め、1 台目と違う宛先へ書き込む
• スレーブは 2 バイトを持ち、書き込むと置き換わり、読み出しで返す。アドレス 0x3C の機器はない
• 時間刻みは周期の 1/200