4. I2C读写操作：五种核心流程详解

I2C协议里，读写操作其实就五种基本套路。搞懂了它们，你就能跟绝大多数I2C传感器顺畅沟通了。我个人习惯把这五种操作分成两组：写操作和读操作。写操作简单些，读操作花样多点。

4.1 写操作：单字节写 vs 多字节写

写操作说白了就是主机往从机里塞数据。根据数据量不同，分两种。

4.1.1 单字节写

这是最基础的操作。流程如下：

1. 主机发送起始条件（S）
2. 主机发送从机地址 + 写位（0）
3. 从机回复ACK
4. 主机发送寄存器地址（1字节）
5. 从机回复ACK
6. 主机发送数据（1字节）
7. 从机回复ACK
8. 主机发送停止条件（P）

嗯，这里要注意：寄存器地址的长度取决于芯片设计。有些传感器用8位地址，有些用16位。我遇到过一款气压传感器，它的寄存器地址是16位的，结果我按8位去写，数据全写歪了。调试了半天才发现是地址长度不对。

// 单字节写示例（伪代码）
uint8_t i2c_write_byte(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
    i2c_start();                    // S
    i2c_send_byte(dev_addr << 1);  // 从机地址 + 写位
    if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    i2c_send_byte(reg_addr);        // 寄存器地址
    if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    i2c_send_byte(data);            // 数据
    if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    i2c_stop();                     // P
    return OK;
}

4.1.2 多字节写

多字节写其实就是单字节写的扩展版。发送完寄存器地址后，连续发多个数据字节，每个字节后从机都会回复ACK。直到主机发停止条件。

我曾经调试一个加速度计，需要一次性配置三个寄存器。用单字节写要发三次起始和停止，效率很低。改用多字节写后，一次搞定，代码也清爽多了。

// 多字节写示例
uint8_t i2c_write_bytes(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, 
                        uint8_t *data, uint8_t len) {
    i2c_start();
    i2c_send_byte(dev_addr << 1);
    if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    i2c_send_byte(reg_addr);
    if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        i2c_send_byte(data[i]);
        if (!i2c_wait_ack()) return ERROR;
    }
    i2c_stop();
    return OK;
}

4.2 读操作：三种方式各有千秋

读操作比写操作复杂，因为需要先告诉从机读哪个地址，然后再切换成读模式。我刚开始学I2C时，经常在地址切换这块栽跟头。

4.2.1 当前地址读

当前地址读是最简单的读操作。它不指定寄存器地址，直接读从机当前内部地址指针指向的数据。

1. 主机发送起始条件（S）
2. 主机发送从机地址 + 读位（1）
3. 从机回复ACK
4. 从机发送数据（1字节）
5. 主机回复NACK（表示只读1字节）
6. 主机发送停止条件（P）

这个操作很少单独用，因为你不确定当前指针指到哪了。但有一种场景很实用——连续读时，读完一批数据后，指针自动移到下一个位置，这时用当前地址读就能接着读。

4.2.2 随机地址读

随机地址读是最常用的读操作。它先写寄存器地址，再重新发起读操作。

1. 主机发送起始条件（S）
2. 主机发送从机地址 + 写位（0）
3. 从机回复ACK
4. 主机发送寄存器地址（1字节）
5. 从机回复ACK
6. 主机发送重复起始条件（Sr）
7. 主机发送从机地址 + 读位（1）
8. 从机回复ACK
9. 从机发送数据（1字节）
10. 主机回复NACK
11. 主机发送停止条件（P）

这里的关键是第6步的重复起始条件（Sr）。它不是停止后再开始，而是在总线上直接发一个起始信号。这样做的好处是：总线不会被释放，其他主机抢不走控制权。

// 随机地址读示例
uint8_t i2c_read_byte(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr) {
    uint8_t data;
    
    // 第一阶段：写寄存器地址
    i2c_start();
    i2c_send_byte(dev_addr << 1);  // 写模式
    i2c_wait_ack();
    i2c_send_byte(reg_addr);
    i2c_wait_ack();
    
    // 第二阶段：重复起始，读数据
    i2c_start();                    // 重复起始
    i2c_send_byte((dev_addr << 1) | 0x01);  // 读模式
    i2c_wait_ack();
    data = i2c_read_byte();
    i2c_send_nack();                // 主机回复NACK
    i2c_stop();
    
    return data;
}

4.2.3 顺序读

顺序读就是随机地址读的多字节版本。读第一个字节时主机回复ACK，最后一个字节回复NACK。

// 顺序读示例
uint8_t i2c_read_bytes(uint8_t dev_addr, uint8_t reg_addr, 
                       uint8_t *buffer, uint8_t len) {
    // 第一阶段：写寄存器地址
    i2c_start();
    i2c_send_byte(dev_addr << 1);
    i2c_wait_ack();
    i2c_send_byte(reg_addr);
    i2c_wait_ack();
    
    // 第二阶段：重复起始，连续读
    i2c_start();
    i2c_send_byte((dev_addr << 1) | 0x01);
    i2c_wait_ack();
    
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        buffer[i] = i2c_read_byte();
        if (i == len - 1) {
            i2c_send_nack();  // 最后一个字节回复NACK
        } else {
            i2c_send_ack();   // 其他字节回复ACK
        }
    }
    i2c_stop();
    return OK;
}

顺序读在读取传感器多字节数据时特别有用。比如读取一个16位的温度值，或者读取一组加速度数据（X、Y、Z各2字节，共6字节），用顺序读一次搞定。

4.3 五种操作对比

4.4 知识体系图

下面这张图把五种操作的关系和流程梳理清楚了。建议你保存下来，调试时对照着看。

4.5 实战避坑指南

搞I2C驱动这么多年，我总结了几条血泪教训：

• 地址长度要确认： 有些芯片寄存器地址是8位，有些是16位。我遇到过一款温湿度传感器，数据手册写的是"register address"，我以为是8位，结果它内部是16位地址映射。读出来的数据全是乱的。
• 重复起始不能省： 随机地址读时，一定要用重复起始（Sr），不要先发停止再发起始。否则总线会被释放，如果总线上有其他主机，可能抢走控制权。
• NACK时机要准确： 读操作时，最后一个字节要发NACK，告诉从机"够了，别发了"。如果发了ACK，从机会继续发数据，导致总线卡死。
• 地址左移一位： 很多MCU的I2C库要求地址左移一位，最低位放读写位。比如从机地址0x76，左移后是0xEC（写）或0xED（读）。这个细节我刚开始也搞错过。