I2C

概要

I2C（Inter-Integrated Circuit：アイ・スクエア・シー、またはI2Cと読む）は、フィリップス社（現NXP）が1982年に開発した2線式の同期シリアルバスプロトコルです。SDA（シリアルデータ）とSCL（シリアルクロック）の2本のワイヤだけで、マスターデバイスと複数のスレーブデバイスを接続できる「マルチスレーブ」アーキテクチャが特徴です。

組み込みシステムでは、温湿度センサー・気圧センサー・IMU（加速度・ジャイロセンサー）・EEPROMなど、多数のセンサーや周辺デバイスをI2Cで接続するのが一般的です。7ビットアドレスを使うため、理論上は128個（実際は112個）のデバイスを1本のバスに接続できます。

通信速度は標準モード（100kbps）、ファストモード（400kbps）、ファストモードプラス（1Mbps）、ハイスピードモード（3.4Mbps）の4段階があり、用途に応じて選択します。

歴史・背景

I2Cはフィリップス・セミコンダクターが1982年にテレビのコンポーネント間通信を目的として開発しました。当初は100kbpsの「スタンダードモード」のみでした。1992年に仕様がVersion 2.0として公開され、400kbpsの「ファストモード」が追加されました。

1998年にはバージョン2.1でハイスピードモード（3.4Mbps）が追加。2007年のVersion 3.0では10ビット拡張アドレス対応が強化されました。2012年のVersion 4.0ではUltra Fast-mode（UFm、単方向5Mbps）も規定されています。

フィリップスがかつて特許を持っていたため、「TWI（Two-Wire Interface）」という別名でAVRマイコン（Atmel）が採用していた時代もあります。現在はNXPが知的財産を管理しており、スペック文書を公開しています。

技術仕様

速度モード

モード	速度	略称
スタンダードモード	100 kbps	Sm
ファストモード	400 kbps	Fm
ファストモードプラス	1 Mbps	Fm+
ハイスピードモード	3.4 Mbps	Hs
ウルトラファストモード	5 Mbps（単方向）	UFm

アドレス体系

7ビットアドレス: 最大112デバイス（0x00〜0x07, 0x78〜0x7Fは予約）
10ビットアドレス: 最大1008デバイス（拡張仕様）

代表的なデバイスのI2Cアドレス（7ビット）：

デバイス	アドレス
MPU-6050（IMU）	0x68 または 0x69
BME280（温湿度・気圧）	0x76 または 0x77
ADS1115（ADC）	0x48〜0x4B
OLED SSD1306	0x3C または 0x3D
AT24CXX EEPROM	0x50〜0x57

電気的特性

電圧レベル: 3.3V系または5V系（バス電圧はプルアップ電源に依存）
プルアップ抵抗: 必須（外付け）。標準は4.7kΩ（100kbps）、1kΩ（400kbps）
バス容量: 最大400pF（Smモード・Fmモード）
ドライブ方式: オープンドレイン（Wired-AND）

オープンドレイン構成により、複数デバイスが同じバスラインをLowに引き下げることができます。これがI2Cの「Wired-AND」バスと呼ばれる理由です。

動作原理

トランザクションの基本構造

[スタート条件] [アドレス(7bit) + R/W(1bit)] [ACK] [データ(8bit)] [ACK] ... [ストップ条件]

スタート条件（START）: SCLがHighの間にSDAがHighからLowへ変化 ストップ条件（STOP）: SCLがHighの間にSDAがLowからHighへ変化 アクノレッジ（ACK）: 受信側が9クロック目にSDAをLowに引き下げることで「受信OK」を返す

書き込みトランザクション例

Master→Slave: スタート → 0x68<<1|W → ACK → レジスタアドレス(0x6B) → ACK → データ(0x00) → ACK → ストップ

読み取りトランザクション例（Repeated START）

Master→Slave: スタート → 0x68<<1|W → ACK → レジスタアドレス(0x3B) → ACK
Master→Slave: リピートスタート → 0x68<<1|R → ACK
Slave→Master: データ1 → ACK → データ2 → ACK → ... → データN → NACK
Master: ストップ

// STM32 HALを使ったI2C通信例（MPU-6050初期化）

#define MPU6050_ADDR  (0x68 << 1)  // HALはアドレスを1ビット左シフト
#define PWR_MGMT_1    0x6B

// スリープ解除（PWR_MGMT_1レジスタへ0x00書き込み）
uint8_t data = 0x00;
HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, MPU6050_ADDR, PWR_MGMT_1,
                  I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);

// 加速度データ読み取り（6バイト）
uint8_t accel_buf[6];
HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, MPU6050_ADDR, 0x3B,
                 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, accel_buf, 6, HAL_MAX_DELAY);

// 16ビット値に結合
int16_t ax = (int16_t)(accel_buf[0] << 8 | accel_buf[1]);
int16_t ay = (int16_t)(accel_buf[2] << 8 | accel_buf[3]);
int16_t az = (int16_t)(accel_buf[4] << 8 | accel_buf[5]);

クロックストレッチング

スレーブデバイスが処理に時間がかかる場合、SCL線をLowに保持してマスターを待機させる「クロックストレッチング」機能があります。すべてのマスターがこれに対応しているわけではないため注意が必要です。

マルチマスター調停

複数のマスターが同時に送信を開始した場合、「バス調停（アービトレーション）」によって一方が優先されます。SDAをHighに出力したつもりがLowを検出した場合、そのマスターは送信を停止します。これにより衝突なく共存できます。

用途・ユースケース

I2Cが特に適した用途：

センサーネットワーク: BME280（温湿度・気圧）、MPU-6050（IMU）、BH1750（照度）などをまとめて1本のI2Cバスに接続
低速EEPROM: 設定値や校正データの保存（AT24C系EEPROM）
小型ディスプレイ: SSD1306 OLEDディスプレイ（128x64ドット）はI2Cで制御可能
RTC（リアルタイムクロック）: DS3231やPCF8523はI2C接続
電源管理IC（PMIC）: 電圧や電流の設定をI2Cで行う
DAC/ADC: ADS1115（16ビットADC）、MCP4725（12ビットDAC）

実装・開発のポイント

プルアップ抵抗の計算

プルアップ抵抗の値はバス容量と速度によって決まります：

最小抵抗 = (VDD - 0.4V) / 3mA  （Lowレベル時のシンク電流制限）
最大抵抗 = 立ち上がり時間 / (0.8473 × バス容量)
（立ち上がり時間：Smで1μs、Fmで300ns）

例（3.3V、400kbps、100pFの場合）：
最小: (3.3 - 0.4) / 0.003 ≈ 967Ω → 1kΩ以上
最大: 300ns / (0.8473 × 100pF) ≈ 3.5kΩ → 3.3kΩ以下

アドレス競合の解決

同じアドレスを持つデバイスが複数ある場合の対策：

ADDRピンで変更: 多くのセンサーはADDRピンをHigh/Lowに設定してアドレスを変更できる
I2Cバスマルチプレクサ: TCA9548AなどのI2Cマルチプレクサで複数の独立バスに分割
別バスを使用: マイコンに複数のI2Cペリフェラルがあれば別々のバスに接続

バスハング（ロックアップ）対策

通信途中の電源断などでスレーブがSDAをLowに保持し続けるバスハングが発生することがあります：

// I2Cバスリセット手順（ビットバン）
void i2c_bus_reset(void) {
    // SCLを9クロック分トグル（スレーブのシフトレジスタをクリア）
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        HAL_GPIO_WritePin(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(1);
        HAL_GPIO_WritePin(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_PIN, GPIO_PIN_SET);
        HAL_Delay(1);
    }
    // STOPコンディション送出
    HAL_GPIO_WritePin(I2C_SDA_PORT, I2C_SDA_PIN, GPIO_PIN_SET);
}

ロジックアナライザでのデバッグ

I2C通信のデバッグにはロジックアナライザが有効です。SigrokやPulseViewを使うとI2Cのデコードが自動で行われ、アドレス・読み書き方向・データ・ACK/NACKが視覚的に確認できます。

他技術との比較

I2C vs SPI

項目	I2C	SPI
配線数	2本（全デバイス共有）	最低4本（デバイスごとにCSが増加）
速度	最大3.4Mbps	数十〜数百Mbps
マルチスレーブ	アドレスで識別	CSピンで識別
複雑性	アドレス/ACK管理が必要	シンプルなプロトコル
用途	低速センサー・設定	ディスプレイ・フラッシュ

I2C vs UART

UARTは1対1の非同期通信で、プロトコルが非常にシンプルです。I2Cはマルチスレーブ対応の代わりにプロトコルが複雑で、プルアップ抵抗などのハードウェア要件があります。デバイスが1つだけならUART、複数センサーをまとめて接続するならI2Cという使い分けが一般的です。

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