{"id":65000,"date":"2023-06-29T06:53:00","date_gmt":"2023-06-29T04:53:00","guid":{"rendered":"https:\/\/botland.com.pl\/blog\/magistrala-i2c-co-to-jest-i-do-czego-sluzy\/"},"modified":"2025-09-07T12:13:12","modified_gmt":"2025-09-07T10:13:12","slug":"i2c-bus-was-ist-das-und-wofuer-wird-er-verwendet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/botland.de\/blog\/i2c-bus-was-ist-das-und-wofuer-wird-er-verwendet\/","title":{"rendered":"I2C-Bus – was ist das und wof\u00fcr wird er verwendet"},"content":{"rendered":"Lesezeit<\/span> 3<\/span> min.<\/span><\/span>\t\t
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Der I2C-Bus ist einer der beliebtesten Standards f\u00fcr die lokale serielle Kommunikation in digitalen Ger\u00e4ten. Lernen Sie die Grundlagen und praktischen Anwendungen von I2C kennen!<\/em><\/p>\n

Die heutigen elektronischen Ger\u00e4te verwenden mehrere Daten\u00fcbertragungsstandards zwischen einzelnen Ger\u00e4ten, Modulen und sogar einzelnen ICs – sogar innerhalb derselben Leiterplatte. Aufgrund der geringen Anzahl von Leitungen, die zur Herstellung einer Verbindung erforderlich sind, sind serielle Busse<\/strong> heute bei weitem am weitesten verbreitet. In vielen Anwendungen ersetzen sie erfolgreich weitaus umfangreichere parallele Verbindungen. Zu den g\u00e4ngigsten Standards in der Elektronik geh\u00f6ren I2C-, SPI- und I2S-Verbindungen<\/strong> – heute werden wir uns mit dem ersten dieser Standards befassen, der vor allem in der Welt der digitalen Sensoren und integrierten Peripherieschaltungen verbreitet ist.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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I2C-Bus-Konstruktion - Hardware-Fragen<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Auf der Hardwareseite ist der Aufbau der I2C-Verbindung<\/strong> extrem einfach. Die Daten\u00fcbertragung erfolgt \u00fcber nur zwei Leitungen<\/strong> (in der Regel in Form von Leiterbahnen auf einer Platine oder einem kurzen Kabel von maximal einigen Metern L\u00e4nge), an die mindestens zwei Ger\u00e4te direkt angeschlossen werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

Diese Konstruktion bedeutet, dass die beiden Leitungen von den Schaltkreisen gemeinsam genutzt werden, so dass nur einer von ihnen<\/strong> zu einem bestimmten Zeitpunkt als<\/strong> Sender<\/strong> fungieren kann, w\u00e4hrend der andere<\/strong> (oder alle anderen) als Empf\u00e4nger<\/strong> fungieren kann. Die mit SCL<\/strong> bezeichnete Leitung dient der \u00dcbertragung des Taktsignals, das den “Rhythmus” bestimmt, in dem die aufeinanderfolgenden Bits der Adressen, Daten und Empfangsbest\u00e4tigungen \u00fcbertragen werden, w\u00e4hrend SDA<\/strong> f\u00fcr die \u00dcbertragung der entsprechenden Informationen zwischen den kooperierenden Schaltkreisen zust\u00e4ndig ist. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Wichtig ist, dass auf der Seite jedes Chips die Anschl\u00fcsse, die mit den SDA- und SCL-Leitungen interagieren, in einem Modus arbeiten m\u00fcssen, der als Open-Collector<\/strong> (OC) oder Open-Drain<\/strong> (OD) bezeichnet wird. <\/p>\n

Das Funktionsprinzip dieses Ausgangstyps ist unkompliziert: Das Einschalten eines Ausgangstransistors, der sich in der Struktur eines integrierten Schaltkreises (z. B. eines Mikrocontrollers oder Sensors) befindet, bewirkt, dass eine bestimmte Leitung (z. B. SDA) mit der Masse des Schaltkreises kurzgeschlossen wird, wodurch ein logischer Low-Zustand<\/strong> (L)<\/strong> auf dieser Leitung erzwungen wird.<\/p>\n

Das Ausschalten des Transistors f\u00fchrt zu einem High-Zustand (H)<\/strong>, was auf die externen Pull-up-Widerst\u00e4nde zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, die f\u00fcr den I2C-Bus typischerweise in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 4,7 k\u03a9<\/strong> liegen sollten.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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PCF8574 - I2C 8-Bit-Pin-Erweiterung.<\/figcaption>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/figure>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Verfahren zur \u00dcbertragung von Daten und Adressen \u00fcber I2C-Bus<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Der Beginn der \u00dcbertragung auf dem I2C-Bus wird durch das START-Signal<\/strong> bestimmt – dies ist nichts anderes als eine fallende Flanke an der SDA-Leitung<\/strong>, w\u00e4hrend die SCL-Leitung<\/strong> im High-Zustand<\/strong> ist. Ist diese Bedingung erf\u00fcllt, kann die Daten\u00fcbertragung bereits beginnen – dabei kann sich der Zustand der SDA-Leitung<\/strong> nur bei einem Low-Zustand<\/strong> auf der SCL-Leitung<\/strong> \u00e4ndern, w\u00e4hrend das Lesen (Abtasten) von SDA<\/strong> durch den Empf\u00e4nger bei einem positiven Impuls (Zustand H)<\/strong> auf der Taktleitung erfolgt.<\/p>\n

Wichtig ist, dass die Bits in der Reihenfolge vom h\u00f6chstwertigen, d. h. dem \u00e4ltesten (MSB), bis zum niedrigstwertigen (j\u00fcngstes – LSB) \u00fcbertragen werden.<\/strong> Das erste \u00fcbertragene Byte enth\u00e4lt in den meisten F\u00e4llen die 7-Bit-Adresse<\/strong> des Slaves und das \u00dcbertragungsrichtungsbit (R\/W)<\/strong> – letzteres nimmt den logischen Wert 1 an, wenn nachfolgende Bytes vom Slave durch den Master gelesen werden sollen, und 0, wenn Daten vom Master in den Slave geschrieben werden sollen.<\/p>\n

Der Vollst\u00e4ndigkeit halber sei hinzugef\u00fcgt, dass seit der 1992 aktualisierten I2C-Standardspezifikation die Adressierung mit 10 Bits<\/strong> erfolgen kann – in diesem Fall enth\u00e4lt das erste Byte die 5 Bits von dem Wert 11110, die beiden \u00e4ltesten Bits der Adresse und das Bit f\u00fcr die R\/W-Richtung, wobei die restlichen 8 Bits der Adresse in das n\u00e4chste Byte eingehen. Diese L\u00f6sung wurde eingef\u00fchrt, um den verf\u00fcgbaren Adressraum von urspr\u00fcnglich 128 M\u00f6glichkeiten (entspricht 27) auf 1024 Adressen (d. h. 210) zu erweitern. Wichtig ist, dass der Master nach jedem vollen Byte einen zus\u00e4tzlichen Impuls auf der SCK-Leitung sendet, der es dem Slave erm\u00f6glicht, den Empfang des Frames zu best\u00e4tigen (indem er eine logische Null auf der SDA-Leitung ausgibt). Sobald alle Daten eines bestimmten Pakets \u00fcbertragen wurden, kann der Master die \u00dcbertragung durch Senden des STOP-Signals<\/strong> (steigende Flanke an der SDA-Leitung, w\u00e4hrend SCL im High-Zustand ist) beenden.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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\u00dcbertragungsgeschwindigkeit des I2C-Bus<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Ein wichtiges Thema bei I2C-Leitungen ist die \u00dcbertragungsgeschwindigkeit<\/strong>. Die fr\u00fcheste Version des Standards ging von einer Geschwindigkeit von 100 kbit\/s<\/strong> aus – diese wird auch heute noch in vielen Ger\u00e4ten verwendet, da sie im Vergleich zu den schnelleren I2C-Bussen eine h\u00f6here St\u00f6rsicherheit und geringere Hardwareanforderungen bietet.<\/p>\n

Die aktualisierte Version 1.0 (Jahr 1992) erm\u00f6glichte den Betrieb mit vierfacher Geschwindigkeit (400 kbit\/s – Fast Mode)<\/strong>, w\u00e4hrend sechs Jahre sp\u00e4ter die Spezifikation 2.0 erschien, die \u00dcbertragungsraten von bis zu 3,4 Mbit\/s<\/strong> erm\u00f6glichte.<\/p>\n

Um eine ausreichende Flankensteilheit auf den Takt- und Datenleitungen zu gew\u00e4hrleisten, erweist es sich jedoch als notwendig, die Buskapazit\u00e4t relativ gering zu halten – die Kapazit\u00e4ten zwischen den Signalpfaden und der Masse auf der Leiterplatte (bzw. zwischen den Leitern und der Kabelabschirmung, wenn Schaltungen nicht auf derselben Leiterplatte betrachtet werden) sind hier von gr\u00f6\u00dfter Bedeutung.<\/p>\n

Der Grund daf\u00fcr ist, dass er zusammen mit dem Widerstand der Widerst\u00e4nde, die die Kapazit\u00e4t der \u00dcbertragungsleitung hochziehen, einen recht wirksamen RC-Filter<\/strong> bildet, dessen “\u00dcberlastung” im Falle einer zu gro\u00dfen resultierenden Kapazit\u00e4t in der f\u00fcr den Betrieb mit einer bestimmten \u00dcbertragungsrate erforderlichen Zeit nicht m\u00f6glich ist. Aus diesem Grund ist es sehr empfehlenswert, die Kapazit\u00e4t auf dem I2C-Bus zu minimieren, insbesondere bei l\u00e4ngeren Verbindungen oder der Zusammenarbeit mehrerer Schaltkreise auf demselben Kommunikationsbus.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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