4. 从机发送模式实现：从机响应主机读请求的数据发送流程
好，咱们接着聊。上一章我们把从机接收模式讲透了，说白了就是主机写、从机收。那反过来呢？主机要从从机读数据，这时候从机就得切换到发送模式。这个场景在实际项目里太常见了——比如主机去读传感器的温度值、读EEPROM里存的数据，都是这个流程。
我记得刚做I2C从机那会儿，总觉得发送比接收简单。结果呢？第一次调通接收，换到发送就翻车了。问题出在哪？时钟同步、数据对齐、应答处理，一个没注意就卡死。今天咱们就把这个流程彻底拆开，讲清楚。
4.1 从机发送模式的核心流程
先看整体流程。主机发起读操作时，总线上的信号序列是这样的：
- 主机发送起始条件（S）
- 主机发送从机地址 + 读位（7位地址 + R/W=1）
- 从机应答（ACK）
- 从机发送数据字节（每字节8位，MSB先发）
- 主机应答（ACK表示还要继续读，NACK表示够了）
- 重复步骤4-5，直到主机发NACK
- 主机发送停止条件（P）
嗯，这里有个关键点：应答方向反了。接收模式是从机发ACK给主机，发送模式是主机发ACK给从机。很多新手在这里搞混，我当年也踩过这个坑。
核心原则：谁发数据，谁就不管应答；谁收数据，谁就负责应答。
发送模式下：从机发数据，主机收数据，所以主机发ACK/NACK。
4.2 从机发送模式的时序细节
咱们把时序拆开看。下面这张图是我画的标准从机发送时序，你注意看SCL和SDA的配合关系。
你看这个时序，从机发数据的时候，SDA的变化必须发生在SCL低电平期间。主机在第9个时钟周期拉低SDA表示ACK，拉高表示NACK。这个节奏一旦乱了，总线就卡死了。
4.3 从机发送模式的代码实现
下面给一个实际的从机发送代码框架。我用的是状态机写法，这也是我项目里最常用的方式。
// 从机发送状态机
typedef enum {
SLAVE_TX_IDLE,
SLAVE_TX_ADDR_MATCH,
SLAVE_TX_DATA_SEND,
SLAVE_TX_WAIT_ACK,
SLAVE_TX_STOP
} slave_tx_state_t;
static slave_tx_state_t tx_state = SLAVE_TX_IDLE;
static uint8_t tx_buffer[256];
static uint8_t tx_index = 0;
static uint8_t tx_len = 0;
static uint8_t bit_count = 0;
static uint8_t shift_reg = 0;
// 主状态机 - 在SCL上升沿触发
void slave_tx_fsm(void) {
switch(tx_state) {
case SLAVE_TX_IDLE:
// 等待起始条件 + 地址匹配
if (start_detected && addr_match && (rw_bit == 1)) {
tx_state = SLAVE_TX_ADDR_MATCH;
// 准备发送数据
tx_index = 0;
bit_count = 0;
shift_reg = tx_buffer[tx_index];
// 拉低SDA表示ACK（在第9个时钟）
sda_direction(OUTPUT);
sda_write(0);
}
break;
case SLAVE_TX_ADDR_MATCH:
// 发送ACK后，准备发数据
if (scl_falling_edge) {
tx_state = SLAVE_TX_DATA_SEND;
bit_count = 0;
shift_reg = tx_buffer[tx_index];
// 准备发送MSB
sda_write((shift_reg & 0x80) ? 1 : 0);
}
break;
case SLAVE_TX_DATA_SEND:
// 在SCL上升沿移出数据位
if (scl_rising_edge) {
bit_count++;
if (bit_count < 8) {
shift_reg <<= 1;
sda_write((shift_reg & 0x80) ? 1 : 0);
} else {
// 8位发完，释放SDA，等待主机ACK
sda_direction(INPUT); // 释放总线
tx_state = SLAVE_TX_WAIT_ACK;
}
}
break;
case SLAVE_TX_WAIT_ACK:
// 在第9个SCL上升沿采样SDA
if (scl_rising_edge) {
if (sda_read() == 0) {
// 主机发ACK，继续发下一字节
tx_index++;
if (tx_index < tx_len) {
tx_state = SLAVE_TX_DATA_SEND;
bit_count = 0;
shift_reg = tx_buffer[tx_index];
sda_direction(OUTPUT);
sda_write((shift_reg & 0x80) ? 1 : 0);
} else {
// 数据发完，等待停止
tx_state = SLAVE_TX_STOP;
}
} else {
// 主机发NACK，停止发送
tx_state = SLAVE_TX_STOP;
}
}
break;
case SLAVE_TX_STOP:
// 检测到停止条件后复位
if (stop_detected) {
tx_state = SLAVE_TX_IDLE;
sda_direction(INPUT);
}
break;
}
}
个人经验：这个状态机里最容易被忽略的是SDA方向切换。发数据时SDA是输出，等主机ACK时得切回输入。我见过有人忘了切方向，结果主机拉不低SDA，总线直接锁死。调试时用逻辑分析仪看SDA波形，一眼就能发现问题。
4.4 多字节发送与地址自增
实际项目中，从机往往要发多个字节。比如读一个温度传感器，主机先写寄存器地址，再重新发起读操作，从机从那个地址开始连续发数据。这里有个常见的设计模式：内部地址自增。
| 场景 | 主机操作 | 从机行为 |
|---|---|---|
| 单字节读 | 发地址+读位，收1字节，发NACK+停止 | 发送当前地址的数据 |
| 多字节读（连续） | 发地址+读位，收N字节，最后发NACK+停止 | 每发一字节，内部地址+1，继续发下一字节 |
| 随机地址读 | 先写寄存器地址，再重新发起读操作 | 从指定地址开始发送 |
我记得有个项目，从机内部地址自增逻辑写错了，地址到255后没回绕到0，结果读出来的数据全是乱的。后来加了个取模运算才搞定。
4.5 常见坑点与调试技巧
坑点1：从机发完数据后不释放SDA
我曾经遇到一个从机，发完最后一个字节后，SDA一直保持输出低电平。主机想发停止条件都发不了，总线直接死锁。解决办法：在NACK检测后，强制将SDA切回输入模式。
坑点2：时钟拉伸导致时序错乱
有些从机处理速度慢，会拉低SCL让主机等待。如果主机不支持时钟拉伸，或者从机拉伸时间太长，就会超时。我建议从机代码里加一个超时保护，SCL低电平超过10ms就复位状态机。
坑点3：起始条件重复检测
多字节读时，主机可能会发重复起始条件（Sr）。从机必须能识别Sr，并且不能把它当成停止条件。我见过一个从机，每次遇到Sr就复位，结果数据全丢了。
4.6 调试实战：用逻辑分析仪抓波形
说一千道一万，不如看波形。下面是我调试从机发送模式时常用的检查步骤：
- 检查起始条件：SDA在SCL高电平时从高变低，这个边沿必须干净
- 检查地址+读位：7位地址 + 1位读（1），确认地址没错
- 检查从机ACK：第9个时钟，SDA被从机拉低
- 检查数据字节：8位数据，MSB先发，SCL高电平时SDA稳定
- 检查主机ACK/NACK：第9个时钟，SDA被主机拉低（ACK）或拉高（NACK）
- 检查停止条件：SDA在SCL高电平时从低变高
我的调试口诀：
起始看边沿，地址看对齐，应答看第九，数据看稳定，停止看上升。
每次调不通，按这个顺序查一遍，90%的问题都能定位。
4.7 从机发送模式的状态机总图
最后，我把整个从机发送模式的状态机画成一张图，方便你对照代码理解。
嗯，这张图基本把从机发送的整个生命周期都画出来了。你写代码的时候，对着这个状态机一步步实现就行。记住，每个状态转换都要对应一个明确的SCL边沿事件，别在中间状态里做耗时操作。