3. I2C 地址与数据传输格式：7位地址与10位地址、读写操作、多字节传输、寄存器映射

I2C 通信，说白了就是主设备跟从设备之间“对暗号”的过程。暗号对上了，才能开始传数据。这个暗号，就是地址。

我刚开始搞 I2C 驱动时，总觉得地址这东西很简单，不就是发个 7 位二进制数嘛。直到有一次，我拿了一个 10 位地址的传感器，照着 7 位地址的流程去读，结果死活读不到数据。折腾了大半天，才发现是地址格式搞错了。嗯，从那以后，我再也不敢小看这个“暗号”了。

3.1 7 位地址与 10 位地址

I2C 总线上的每个从设备，都有一个唯一的地址。标准模式下，地址长度是 7 位。后来设备多了，7 位地址不够用，就扩展出了 10 位地址模式。

3.1.1 7 位地址

7 位地址的范围是 0x00 ~ 0x7F。但实际可用的地址，并没有 128 个那么多。有些地址是保留的，比如 0x00 用于通用呼叫，0x01 ~ 0x07 用于其他特殊用途。

我常用的传感器，比如 MPU6050，它的 7 位地址是 0x68。如果 AD0 引脚拉高，就变成 0x69。你看，硬件上改一个引脚，地址就变了。这就是 7 位地址的灵活性。

3.1.2 10 位地址

10 位地址的格式，跟 7 位不太一样。它用两个字节来传输地址。第一个字节的前 5 位是固定的 11110，接着是高 2 位地址，最后是读写位。第二个字节是低 8 位地址。

说白了，就是主设备先发一个“特殊头”，告诉从设备：“我要用 10 位地址了”。然后从设备就知道，后面还有一个字节的地址要收。

我在项目中遇到过一种气压传感器，用的就是 10 位地址。当时我按 7 位地址去扫描总线，怎么也扫不到。后来用逻辑分析仪抓波形，才发现第一个字节是 0xF0 开头，这才反应过来是 10 位地址。

3.2 读写操作

I2C 的读写操作，核心区别就在那个 R/W 位上。R/W = 0 表示写，R/W = 1 表示读。

你想想看，主设备要跟从设备通信，总得先打个招呼吧？这个招呼，就是起始条件 + 地址字节。

3.2.1 写操作流程

1. 主设备发送起始条件（S）
2. 主设备发送 7 位地址 + 写位（0）
3. 从设备回应 ACK
4. 主设备发送数据字节
5. 从设备回应 ACK
6. 重复第 4、5 步，直到数据发完
7. 主设备发送停止条件（P）

3.2.2 读操作流程

1. 主设备发送起始条件（S）
2. 主设备发送 7 位地址 + 读位（1）
3. 从设备回应 ACK
4. 从设备发送数据字节
5. 主设备回应 ACK（如果还要继续读）或 NACK（如果这是最后一个字节）
6. 重复第 4、5 步，直到数据收完
7. 主设备发送停止条件（P）

3.2.3 复合操作（Combined Format）

很多时候，我们需要先写一个寄存器地址，再读数据。这就是复合操作。流程是这样的：

1. 主设备发送起始条件（S）
2. 主设备发送 7 位地址 + 写位（0）
3. 从设备回应 ACK
4. 主设备发送寄存器地址字节
5. 从设备回应 ACK
6. 主设备发送重复起始条件（Sr）
7. 主设备发送 7 位地址 + 读位（1）
8. 从设备回应 ACK
9. 从设备发送数据字节
10. 主设备回应 NACK
11. 主设备发送停止条件（P）

这个流程，在 Linux 内核里对应的是 i2c_smbus_read_byte_data() 和 i2c_smbus_read_i2c_block_data() 这些函数。我写驱动时，最常用的就是这种复合操作。

3.3 多字节传输

单字节传输太慢了。实际项目中，我们经常要一次读好几个字节。比如读一个加速度计的 X、Y、Z 轴数据，一次读 6 个字节，比读 6 次快多了。

多字节传输的流程，跟单字节差不多。区别在于，数据字节可以连续发，中间不需要重新发地址。

多字节传输的时序图，我画了一个简单的 SVG，方便你理解：

3.4 寄存器映射

寄存器映射，说白了就是一张“地址-功能对照表”。每个寄存器都有一个地址，里面存着特定的数据。你往哪个地址写数据，就能控制对应的功能。你从哪个地址读数据，就能拿到对应的状态。

我拿一个常见的加速度计来举例。它的寄存器映射表大概长这样：

你看，读 WHO_AM_I 寄存器，就能确认 I2C 通信是不是正常的。如果读出来不是 0x71，那要么地址错了，要么焊接有问题。

寄存器映射还有一个重要概念：位域（Bit Field）。一个寄存器里的不同位，可能控制不同的功能。比如 CTRL_REG1 的 bit 0 是传感器使能位，bit 1 是低功耗模式使能位，bit 2~3 是输出数据速率选择位。

写驱动时，我一般用位操作来设置这些位域。比如：

// 设置 CTRL_REG1，使能传感器，设置数据速率为 100Hz
uint8_t ctrl = 0x00;
ctrl |= (1 << 0);  // bit 0: 使能
ctrl |= (2 << 2);  // bit 2~3: 数据速率 = 01 (100Hz)
i2c_smbus_write_byte_data(fd, 0x10, ctrl);

寄存器映射的另一个关键点，是地址递增。很多传感器支持“突发读取”（Burst Read）。你只要写一次起始地址，然后连续读，它就会自动把后续寄存器的值发出来。比如读加速度计数据，从 0x28 开始，连续读 6 个字节，就能拿到 X、Y、Z 轴的完整数据。

这个特性，在 Linux 内核驱动里对应的是 i2c_smbus_read_i2c_block_data() 函数。我写驱动时，读多字节数据都用这个函数，效率比单字节读高多了。