简化理解I2C总线

这篇文章主要是理解，不是入门文章，建议先去搜索入门文章，看不懂再来看这篇文章，帮助理解。

1. 应用场景

• 嵌入式系统中，用于将板载外设连接到CPU，比如说传感器
• 因为只有一个数据线和时钟线，抗干扰能力差，传输速度不高，所以适用于板内低速外设，一根线，只能是半双工。

2. 工作原理

两根线：

• 时钟线 SCL：时钟的作用一定要理解，类似于军训走正步时的口哨声，没时钟就停止，有时钟才继续下一步，系统内的所有设备在时钟的步调下运作，才不会混乱。时钟是目前任何数字系统运行的基本驱动力。
• 数据线 SDA：就是传数据的一根线，没什么特别的地方。一根线决定了传输数据不会特别快，而且不能长距离传输。

3. 工作模式

• 一主多从模式（99%场景）
• 多主多从模式（不用管）

4. 通信过程

4.1 主发从收（CPU下发指令）

CPU视角：

发START → [发设备地址+0 → ACK] → [寄存器地址 → ACK] → [数据1 → ACK → … → 数据N → ACK] → 发STOP

• 有开始，有结束
• 先发地址，选中设备，选中设备后，选择设备寄存器，都选好了以后发数据，发数据以字节为单位，数据长度是N个字节，不会有不完整的字节，否则信号会出现歧义。
• 除了开始结束，任何操作都有ACK
• START：在SCL高电平时拉低SDA，就代表开启信号，那就说明刚开始SDA是高，表示空闲。
• STOP：在SCL保持高电平时，将SDA从低电平释放至高电平，就代表结束信号。

4.2 从发主收（外设上报状态）无此模式！

不行！从设备不能主动上报状态！
结构上因为时钟是CPU控制的，从机控制不了时钟，所以不能主动发。

4.3 主发主读（CPU先写）

当需要读取从设备的特定寄存器​（如传感器数据寄存器、EEPROM存储单元）时，主设备需先写入目标地址，再切换为读操作。

​流程步骤​：

​写地址阶段​：
主设备发送START信号 + ​从设备地址（写模式，R/W位=0）​​ → 等待ACK。
主设备发送寄存器地址​ → 从设备回复ACK。

​读数据阶段​：
主设备发送Repeated START信号​（不释放总线）。
主设备发送从设备地址（读模式，R/W位=1）​​ → 等待ACK。
从设备发送数据 → 主设备回复ACK/NACK控制数据流。

​终止​：主设备发送STOP信号结束通信。

为什么要先写后读？
大多数I2C从设备（如EEPROM、传感器）内部有一个地址指针寄存器，用于指示当前操作的数据位置。

​工作原理​

• 写地址阶段​：主设备发送寄存器地址（如0x00），从设备收到后将该地址存入指针寄存器，相当于设置数据读取的起点。

• ​读数据阶段​：从设备根据指针寄存器的值返回对应地址的数据，并在每次读取后自动递增指针（连续读时）。

​必要性​：若跳过写地址直接读，从设备可能返回随机地址的数据​（如上次操作残留的指针值），导致数据错乱。