Modern Embedded Recipes · 6/152

I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration

2026년 4월 10일 · Hawk · 4분 읽기

recipes i2c hw-basics

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#한 줄 요약

“I2C는 두 선으로 100 개의 디바이스를 묶는 open-drain 버스입니다.” 풀업 저항 하나가 속도와 전력 모두를 결정합니다.

#어떤 상황에서 쓰나

센서(가속도계, 자이로, 온도, EEPROM) 다수 연결
I/O expander, LED driver 같은 저속 주변기기
보드 식별, EDID 같은 메타데이터 read
핀 수가 부족할 때 가장 먼저 떠올리는 버스

#핵심 개념

#1) Open-drain wired-AND

I2C는 SDA와 SCL 두 선만 씁니다. 모든 디바이스가 open-drain으로 연결되고, 외부 풀업 저항으로 idle 시 1을 유지합니다.

I2C 버스 — SDA·SCL 두 선과 풀업 저항

신호	연결	역할
VDD → Rp → SDA	풀업 (2.2 ~ 10 kΩ)	idle 시 1 유지
VDD → Rp → SCL	풀업 (2.2 ~ 10 kΩ)	idle 시 1 유지
Master ↔ SDA/SCL	open-drain	wired-AND 출력
Slave ↔ SDA/SCL	open-drain	wired-AND 출력

누구든 한 디바이스가 0을 출력하면 line은 0이 됩니다. 모두가 high-Z(release)일 때만 풀업이 1로 끌어올립니다. 이 wired-AND 특성이 multi-master arbitration의 기반입니다.

#2) 프레임 — START, address, data, ACK, STOP

I2C 프레임 — START, 7-bit address, R/W, ACK

START: SCL=1인 상태에서 SDA를 1 → 0으로 떨어뜨림
STOP: SCL=1인 상태에서 SDA를 0 → 1로 올림
ACK: 9번째 비트에서 슬레이브가 SDA를 0으로 끌어내림
NACK: 슬레이브가 SDA를 그대로 두면 풀업이 1로 유지 (master에게 “그만”을 알림)

#3) 속도 분류

표준	속도	풀업
Standard	100 kHz	4.7 kΩ 표준
Fast	400 kHz	2.2 kΩ
Fast Plus	1 MHz	1 kΩ + push-pull boost
High Speed	3.4 MHz	전용 buffer 필요

#4) 풀업 저항 계산

풀업이 너무 크면 rise time이 길어 통신이 깨집니다. 너무 작으면 sink 전류가 슬레이브 사양(보통 3 mA)을 초과합니다.

1
R_min = (V_DD - V_OL) / I_sink_max
2
      = (3.3 - 0.4) / 3 mA ≈ 970 Ω → 1 kΩ 이상
3

4
R_max = T_rise / (0.847 × C_bus)
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      = 1000 ns / (0.847 × 100 pF) ≈ 11.8 kΩ (Standard mode)
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      = 300 ns / (0.847 × 100 pF) ≈ 3.5 kΩ (Fast mode)

100 pF 부하 가정입니다. 실제 보드는 트레이스·디바이스 입력 커패시턴스로 50 ~ 400 pF가 됩니다.

#5) Clock stretching

슬레이브가 느릴 때 SCL을 0으로 잡아 master를 기다리게 합니다. master는 SCL을 release한 후 line이 1이 되는지 확인합니다. 0으로 머물러 있으면 slave가 stretch 중이라는 뜻입니다.

1
// Master에서의 stretch 인식 — SCL idle 후 1 대기
2
gpio_set_high(SCL);                    // release
3
while (gpio_read(SCL) == 0) { }        // wait slave to release too

#코드 / 실제 사용 예

가속도계(MPU6050) WHO_AM_I 레지스터 read입니다.

1
// I2C 초기화 — 400 kHz @ 84 MHz APB
2
I2C1->CR2  = 84;                       // PCLK = 84 MHz
3
I2C1->CCR  = (1 << 15) | 1;            // FM mode, t_high = 1 cycle
4
I2C1->TRISE = 26;                      // max rise time
5
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE;
6

7
uint8_t mpu_who_am_i(void) {
8
    uint8_t val;
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10
    // START + write addr (0x68 << 1 | 0)
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    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;
12
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB));
13
    I2C1->DR = (0x68 << 1) | 0;
14
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR));
15
    (void)I2C1->SR2;
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    // Write register address 0x75
18
    I2C1->DR = 0x75;
19
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_BTF));
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    // Repeated START + read
22
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START;
23
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_SB));
24
    I2C1->DR = (0x68 << 1) | 1;
25
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_ADDR));
26
    I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK;          // NACK after 1 byte
27
    (void)I2C1->SR2;
28
    I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP;
29

30
    while (!(I2C1->SR1 & I2C_SR1_RXNE));
31
    val = I2C1->DR;
32
    return val;                          // 0x68 (default)
33
}

#측정 / 비교

풀업 저항	100 pF 부하 rise time	100 kHz 동작	400 kHz 동작
1 kΩ	85 ns	OK (전력 큼)	OK (전력 큼)
2.2 kΩ	186 ns	OK	OK
4.7 kΩ	398 ns	OK	한계
10 kΩ	847 ns	한계	불가

디바이스 수	전형적인 bus 커패시턴스
2 ~ 3	50 ~ 80 pF
5 ~ 10	100 ~ 200 pF
16+	300 pF 초과 (buffer 필요)

#자주 보는 함정

⚠️ 풀업 없음 또는 너무 약함

내부 풀업(30 ~ 50 kΩ)만 켜고 외부 풀업이 없으면 100 kHz도 동작하지 않습니다. SDA가 high로 올라오는 데 1 µs 이상 걸려 깨집니다.

⚠️ Bus stuck — SDA 0에 멈춤

슬레이브가 read 도중 reset되면 SDA가 0인 상태로 멈춥니다. master가 STOP을 보낼 수 없게 되어 영원히 멈춥니다.

1
// Bus recovery — SCL을 9번 토글해 slave를 idle로 강제
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void i2c_recover(void) {
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    for (int i = 0; i < 9; i++) {
4
        gpio_set_low(SCL); delay_us(5);
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        gpio_set_high(SCL); delay_us(5);
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    }
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    // Manual STOP
8
    gpio_set_low(SDA); delay_us(5);
9
    gpio_set_high(SCL); delay_us(5);
10
    gpio_set_high(SDA); delay_us(5);
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}