4. I2C数据传输格式：单字节读写、多字节读写、组合传输（Repeated Start）

I2C 的数据传输格式，说白了就是主设备和从设备之间怎么「说话」。别看协议简单，里面的门道可不少。我刚开始做驱动时，就因为没搞懂单字节和多字节的区别，折腾了一整个下午。

这一节，咱们把三种最常用的传输格式掰开揉碎了讲。你理解了这些，写驱动时心里就有底了。

4.1 基本传输单元：起始、停止与应答

先看最基础的东西。任何 I2C 传输都离不开这三个信号：

• 起始条件（S）：SCL 高电平时，SDA 从高变低。告诉所有从设备：「我要开始通信了」。
• 停止条件（P）：SCL 高电平时，SDA 从低变高。告诉总线：「我结束了」。
• 应答位（ACK/NACK）：每发送完一个字节，接收方在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA 表示应答（ACK），拉高表示非应答（NACK）。

嗯，这里要注意：应答位是 I2C 通信的「握手信号」。我曾经在一个项目中，从设备因为忙没来得及拉低 SDA，主设备就认为它挂了，直接发了停止条件。后来加了延时才解决。

4.2 单字节读写：最基础的通信

单字节读写是最简单的操作。你想想看，每次只传一个字节的数据，流程非常清晰。

4.2.1 单字节写

主设备向从设备写入一个字节。流程如下：

1. 主设备发送起始条件（S）
2. 主设备发送从设备地址 + 写位（7位地址 + 0）
3. 从设备应答（ACK）
4. 主设备发送寄存器地址（1字节）
5. 从设备应答（ACK）
6. 主设备发送数据（1字节）
7. 从设备应答（ACK）
8. 主设备发送停止条件（P）

// 单字节写时序示意
// S | 0xA0 (地址+写) | ACK | 0x10 (寄存器地址) | ACK | 0xFF (数据) | ACK | P

4.2.2 单字节读

读操作稍微复杂一点，因为需要先告诉从设备要读哪个寄存器，然后再读数据。这里用到了「组合传输」的思想，但咱们先看最简单的实现：

1. 主设备发送起始条件（S）
2. 主设备发送从设备地址 + 写位
3. 从设备应答（ACK）
4. 主设备发送寄存器地址
5. 从设备应答（ACK）
6. 主设备发送重复起始条件（Sr）
7. 主设备发送从设备地址 + 读位
8. 从设备应答（ACK）
9. 从设备发送数据（1字节）
10. 主设备发送非应答（NACK）
11. 主设备发送停止条件（P）

4.3 多字节读写：批量传输的效率之选

实际项目中，很少只传一个字节。比如读取一个传感器的加速度数据，一次就要读 6 个字节（X、Y、Z 轴各 2 字节）。

多字节读写的核心思想是：地址只发一次，数据连续传。从设备内部会自动递增寄存器地址。

4.3.1 多字节写

和单字节写类似，只是数据部分变成了多个字节：

// 多字节写时序（写3个字节到寄存器0x10开始）
// S | 0xA0+W | ACK | 0x10 | ACK | Data0 | ACK | Data1 | ACK | Data2 | ACK | P

注意：每个数据字节后，从设备都会应答。如果从设备不支持自动地址递增，它会在第二个数据字节时发 NACK。我遇到过这种情况，当时查了半天手册才发现。

4.3.2 多字节读

多字节读和单字节读的区别在于：最后一个数据字节之前，主设备发的是 ACK，只有最后一个字节才发 NACK。

// 多字节读时序（读3个字节从寄存器0x10开始）
// S | 0xA0+W | ACK | 0x10 | ACK | Sr | 0xA0+R | ACK | Data0 | ACK | Data1 | ACK | Data2 | NACK | P

4.4 组合传输（Repeated Start）：不释放总线的艺术

组合传输，也叫重复起始条件（Repeated Start），是 I2C 协议里最巧妙的设计之一。

它的作用很简单：在不发送停止条件的情况下，重新发起一次传输。为什么需要这个？

• 原子操作：防止其他主设备在两次传输之间抢占总线
• 读写切换：读操作必须先写寄存器地址，再读数据，中间不能释放总线
• 多命令序列：某些设备需要先发命令，再发数据，中间不能被打断

4.4.1 组合传输的典型场景

最常见的场景就是上面说的「单字节读」和「多字节读」。你看，读操作本质上就是一次组合传输：

1. 写阶段：发送寄存器地址
2. 重复起始：不释放总线
3. 读阶段：读取数据

如果没有重复起始，你就得先发停止条件，再发起始条件。这中间如果有其他主设备插进来，数据就读错了。

4.4.2 组合传输的时序

// 组合传输完整时序（读2个字节）
// S | Addr+W | ACK | RegAddr | ACK | Sr | Addr+R | ACK | Data0 | ACK | Data1 | NACK | P
//                                 ^^
//                         重复起始在这里

注意看，重复起始（Sr）和普通起始（S）的区别：Sr 之前没有停止条件。SCL 和 SDA 的时序是连续的。

4.5 三种传输格式对比

传输格式	起始次数	停止次数	典型应用	注意事项
单字节写	1	1	配置寄存器	简单直接，效率低
单字节读	2（含1次重复起始）	1	读取状态寄存器	必须用重复起始
多字节写	1	1	批量配置、固件升级	注意地址自动递增
多字节读	2（含1次重复起始）	1	读取传感器数据	最后一个字节发NACK
组合传输	2+	1	复杂命令序列	硬件必须支持重复起始

4.6 知识结构图：I2C数据传输格式全景

下面这张图帮你理清三种传输格式的关系和适用场景：

4.7 实战建议：驱动开发中的传输选择

写驱动时，怎么选传输格式？我总结了几条经验：

• 配置寄存器：用单字节写。简单，不容易出错。
• 读取状态：用单字节读。但注意，一定要用重复起始。
• 批量数据：用多字节读写。效率高，但先确认从设备支持地址自动递增。
• 复杂命令：用组合传输。比如 EEPROM 的页写入、传感器的多轴数据读取。