I2C 드라이버 구현 — Master·7-bit/10-bit·Clock Stretching 처리
#한 줄 요약
“I2C는 state machine + timeout이 전부입니다.” START → ADDR → DATA → STOP. 각 단계가 flag를 set하기를 timeout 안에 기다립니다.
#어떤 상황에서 쓰나
I2C는 센서·EEPROM·RTC·OLED가 가장 자주 쓰는 버스입니다. SPI보다 신호선이 적고 (2선), 같은 버스에 여러 device를 붙일 수 있습니다. 단점은 느리고 (100k/400k/1M Hz), clock stretching이나 NACK에 hang하기 쉽다는 점입니다.
이 글은 STM32F4 I2C peripheral을 master mode로 다루며, NACK 회복과 timeout으로 hang을 방지하는 패턴을 정리합니다. (참고: STM32F7/H7/G0/G4의 I2C는 완전히 다른 design이라 register가 다르나, 개념은 동일합니다.)
#핵심 개념
#I2C 신호 흐름
| 단계 | 송신자 | 내용 |
|---|---|---|
| 1 | Master | START condition |
| 2 | Master | SLA + W (7-bit addr + 0) |
| 3 | Slave | ACK |
| 4 | Master | DATA byte (write) |
| 5 | Slave | ACK |
| 6 | Master | Repeated START |
| 7 | Master | SLA + R |
| 8 | Slave | ACK |
| 9 | Slave | DATA byte (read) |
| 10 | Master | ACK (or NACK if last) |
| 11 | Master | STOP condition |
#STM32F4 I2C state machine
| 단계 | 기다릴 flag | 다음 동작 |
|---|---|---|
| START | SB (SR1 bit 0) | DR에 SLA+W/R write |
| Address sent | ADDR (SR1 bit 1) | SR1·SR2 read해서 clear, then DR write |
| Byte transferred | TxE / BTF | 다음 byte write 또는 STOP |
| Byte received | RxNE | DR read |
| STOP | (자동) | bus 해제 |
각 단계마다 timeout과 함께 폴링합니다. timeout 없으면 slave가 죽을 때 영원히 hang합니다.
#Clock speed setup
Standard mode (100 kHz):CCR = PCLK / (2 × 100000)
Fast mode (400 kHz):CCR = PCLK / (3 × 400000) (DUTY=0)CCR = PCLK / (25 × 400000) (DUTY=1)
TRISE = (PCLK / 1MHz) + 1 (standard)TRISE = (PCLK × 0.3) + 1 (fast)예: PCLK1 = 42 MHz, 400 kHz fast mode → CCR = 35, TRISE = 13.
#코드 예제
#1. I2C init
void i2c_init_400k(void) { RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;
// PB8 SCL, PB9 SDA (AF4, open-drain, no pull — 외부 4.7k pull-up) gpio_init(GPIOB, 8, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .otype=GPIO_OTYPE_OD, .speed=GPIO_SPEED_MED, .af=4}); gpio_init(GPIOB, 9, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .otype=GPIO_OTYPE_OD, .speed=GPIO_SPEED_MED, .af=4});
I2C1->CR1 = I2C_CR1_SWRST; I2C1->CR1 = 0;
I2C1->CR2 = 42u; // PCLK1 = 42 MHz I2C1->CCR = I2C_CCR_FS | 35; // fast mode, 400 kHz I2C1->TRISE = 13; I2C1->CR1 = I2C_CR1_PE; // enable}#2. Write (master TX)
#define I2C_TIMEOUT_MS 50
static int wait_flag(volatile uint32_t *reg, uint32_t mask, int set) { uint32_t start = millis(); while (((*reg & mask) != 0) != set) { if (millis() - start > I2C_TIMEOUT_MS) return -1; } return 0;}
int i2c_write(uint8_t addr7, const uint8_t *data, size_t n) { // START I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_SB, 1)) return -1;
// SLA+W I2C1->DR = (addr7 << 1) | 0; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_ADDR, 1)) { I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; return -2; // NACK or bus error } (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2; // clear ADDR
// DATA bytes for (size_t i = 0; i < n; i++) { if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_TXE, 1)) goto err; I2C1->DR = data[i]; } if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_BTF, 1)) goto err;
// STOP I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; return 0;
err: I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; return -3;}#3. Read (repeated START)
대부분의 sensor는 register address write → repeated START → read 패턴입니다.
int i2c_read_reg(uint8_t addr7, uint8_t reg, uint8_t *buf, size_t n) { if (n == 0) return 0;
// === Phase 1: write reg address === I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_SB, 1)) return -1;
I2C1->DR = (addr7 << 1) | 0; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_ADDR, 1)) goto stop; (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;
if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_TXE, 1)) goto stop; I2C1->DR = reg; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_BTF, 1)) goto stop;
// === Phase 2: repeated START + read === I2C1->CR1 |= I2C_CR1_START; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_SB, 1)) goto stop;
I2C1->DR = (addr7 << 1) | 1;
if (n == 1) { I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK; // NACK after first byte if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_ADDR, 1)) goto stop; (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2; I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_RXNE, 1)) return -1; buf[0] = I2C1->DR; } else { I2C1->CR1 |= I2C_CR1_ACK; if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_ADDR, 1)) goto stop; (void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2;
for (size_t i = 0; i < n; i++) { if (i == n - 1) { I2C1->CR1 &= ~I2C_CR1_ACK; I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; } if (wait_flag(&I2C1->SR1, I2C_SR1_RXNE, 1)) return -1; buf[i] = I2C1->DR; } } return 0;
stop: I2C1->CR1 |= I2C_CR1_STOP; return -2;}#4. Bus recovery — slave가 SDA를 hold하면
I2C는 slave가 unexpectedly reset된 후 SDA를 low로 hold할 수 있습니다. master가 SCL을 수동으로 9개 발생시키면 slave가 풀어 줍니다.
void i2c_bus_recover(void) { // SCL/SDA를 GPIO output으로 임시 전환 gpio_init(GPIOB, 8, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT, .otype=GPIO_OTYPE_OD}); gpio_init(GPIOB, 9, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_INPUT, .pull=GPIO_PULL_UP});
for (int i = 0; i < 9; i++) { GPIOB->BSRR = (1u << (8 + 16)); delay_us(5); GPIOB->BSRR = (1u << 8); delay_us(5); if (GPIOB->IDR & (1u << 9)) break; // SDA released }
// STOP manually: SDA low → SCL high → SDA high gpio_init(GPIOB, 9, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT, .otype=GPIO_OTYPE_OD}); GPIOB->BSRR = (1u << (9 + 16)); delay_us(5); GPIOB->BSRR = (1u << 8); delay_us(5); GPIOB->BSRR = (1u << 9); delay_us(5);
// Back to AF gpio_init(GPIOB, 8, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .otype=GPIO_OTYPE_OD, .af=4}); gpio_init(GPIOB, 9, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .otype=GPIO_OTYPE_OD, .af=4});
I2C1->CR1 |= I2C_CR1_SWRST; I2C1->CR1 = 0; i2c_init_400k();}#측정 / 동작 확인
로직 애널라이저로 SCL·SDA를 보면 전체 transaction이 보입니다.
가장 흔한 진단:
- ACK가 NACK로 보이면: device address가 틀렸거나 device가 power-off.
- SCL이 stuck low: slave가 clock stretching 중. timeout 후 reset.
- SDA가 stuck low: slave가 hang. bus recovery 9-pulse 시도.
#자주 보는 함정
⚠️ Pull-up 누락
I2C는 반드시 외부 pull-up (보통 4.7 kΩ). MCU internal pull-up은 약해 (40 kΩ) 400 kHz에서 동작 안 합니다.
⚠️ Internal pull-up만으로 시도
400 kHz fast mode는 rise time이 빠듯해 external pull-up 필수. 100 kHz에서는 internal로도 가까스로 동작.
⚠️ ADDR clear 순서 (SR1 → SR2)
(void)I2C1->SR1; (void)I2C1->SR2; 순서가 중요. 다른 순서면 clear 안 되고 hang.
⚠️ Repeated START에서 ACK/STOP 타이밍
1-byte read는 ADDR clear 전에 NACK + STOP을 set해야 합니다. N-byte는 N-1번째 byte read 후 set. STM32F4 reference manual의 figure를 따라야 합니다.
⚠️ Timeout 없음
slave가 죽으면 while (!(SR1 & SB))가 영원히 돕니다. 모든 wait에 timeout.
⚠️ Bus arbitration loss 무시
multi-master 환경에서 다른 master가 동시에 START하면 ARLO flag. 이 경우 재시도가 표준.
#정리
- I2C는 state machine + timeout. 각 단계의 flag 폴링.
- master TX는 START → ADDR+W → ADDR clear → DATA → STOP.
- master RX는 register address write → repeated START → ADDR+R → read → NACK + STOP.
- bus recovery 9-clock pulse는 stuck SDA에서 필수 패턴.
- 외부 pull-up 4.7 kΩ + timeout이 안정성의 80%.
다음 편은 DMA 기초입니다. channel/trigger·circular·half/full complete를 다룹니다.
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