3. I2C协议基础：7位地址与10位地址格式、读写操作流程

说实话，I2C协议看起来简单，但坑不少。我最早接触I2C是在一个传感器项目上，当时觉得不就是两根线嘛，结果调试了整整两天——地址没对上，从机死活不应答。从那以后，我每次移植I2C驱动，都会先把地址格式和读写时序在纸上画一遍。

这一节，咱们就把I2C的地址体系和读写流程彻底讲透。你搞懂了这些，后面移植代码就是体力活了。

3.1 7位地址格式

I2C总线上每个设备都有一个唯一地址。最常见的格式是7位地址。注意，这里说的7位，是指地址本身占7个bit，但在传输时，这7位会被左移1位，最低位用来表示读写方向。

我见过不少新手直接拿器件手册上的地址去用，结果发现不对。为什么？因为手册上给的地址往往是8位的——也就是7位地址左移一位后的值。举个例子：

• 某传感器手册写“设备地址 = 0x68”
• 这其实是7位地址0x34左移一位得到的
• 真正的7位地址是0x34
• 写操作时发送0x68，读操作时发送0x69

你想想看，如果搞混了，从机根本不会理你。我习惯的做法是：在代码里直接用7位地址，然后通过宏定义生成读写地址。

// 7位地址定义
#define I2C_ADDR_7BIT  0x34

// 生成读写地址
#define I2C_ADDR_WRITE (I2C_ADDR_7BIT << 1)      // 0x68
#define I2C_ADDR_READ  ((I2C_ADDR_7BIT << 1) | 1) // 0x69

3.2 10位地址格式

7位地址最多挂127个设备，实际去掉保留地址，也就100个左右。对于复杂系统来说，不够用。所以I2C规范定义了10位地址格式。

10位地址的传输分两个阶段：

1. 第一个字节：高5位固定为11110，接着是10位地址的高2位，最后是R/W位
2. 第二个字节：10位地址的低8位

说白了，就是第一个字节告诉从机“我是10位地址”，第二个字节才把完整的地址发过去。

字节	Bit7	Bit6	Bit5	Bit4	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
第1字节	1	1	1	1	0	A9	A8	R/W
第2字节	A7	A6	A5	A4	A3	A2	A1	A0

3.3 读写操作流程

I2C的读写流程，核心就是一句话：主机控制时钟，从机应答确认。咱们先看最基本的写操作。

3.3.1 写操作流程

1. 起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低
2. 发送从机地址：7位地址 + 写标志(0)
3. 等待应答：从机拉低SDA表示应答
4. 发送寄存器地址：要写入的目标寄存器
5. 等待应答
6. 发送数据：一个字节一个字节发
7. 等待应答（每发一个字节都要等）
8. 停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高

// 写操作伪代码
I2C_Start();
I2C_SendByte(0x68);  // 7位地址0x34 + 写位0
I2C_WaitAck();
I2C_SendByte(0x10);  // 寄存器地址
I2C_WaitAck();
I2C_SendByte(data);  // 要写的数据
I2C_WaitAck();
I2C_Stop();

3.3.2 读操作流程

读操作稍微复杂一点，因为要先告诉从机读哪个寄存器，然后再切换为读模式。这就是所谓的“复合操作”。

1. 起始条件
2. 发送从机地址 + 写标志
3. 等待应答
4. 发送寄存器地址
5. 等待应答
6. 重复起始条件（注意，不是停止再开始）
7. 发送从机地址 + 读标志
8. 等待应答
9. 读取数据：主机要发送非应答来结束读取
10. 停止条件

// 读操作伪代码
I2C_Start();
I2C_SendByte(0x68);  // 地址 + 写
I2C_WaitAck();
I2C_SendByte(0x10);  // 寄存器地址
I2C_WaitAck();
I2C_Start();         // 重复起始
I2C_SendByte(0x69);  // 地址 + 读
I2C_WaitAck();
data = I2C_ReadByte();
I2C_SendNack();      // 主机发送非应答
I2C_Stop();

3.4 地址与读写流程的SVG图解

下面这张图把7位地址和10位地址的读写流程放在一起对比，你一看就明白。

3.5 常见问题与避坑

另外几个常见问题：

• 应答超时：从机可能因为忙而不应答，建议加超时处理，别死等
• 重复起始：有些MCU的I2C外设不支持重复起始，得用GPIO模拟
• 时钟拉伸：从机可能拉低SCL来延长时钟，主机要支持这个特性
• 总线冲突：多主机环境下，地址冲突会导致数据错乱