4. I2C数据传输模式：主设备发送/接收、从设备发送/接收、复合传输格式、重复起始条件

I2C总线上的数据传输严格遵循主-从架构，所有传输均由主设备发起并控制时钟信号（SCL）。理解四种基本传输模式以及复合传输与重复起始条件（Repeated START）是编写正确I2C设备驱动的核心基础。本章将逐一拆解这些模式的时序、数据流向与Linux内核中的对应实现。

4.1 基本传输模式概述

根据主设备与从设备的数据流向，I2C传输可分为四种基本模式。下表总结了各模式下的角色与数据方向：

4.2 主设备发送模式

主设备发送模式是I2C通信中最基本的写操作流程。主设备主动产生时钟并输出数据，从设备在每个字节后回复ACK信号。

4.2.1 时序流程

1. START条件： SCL高电平时，SDA由高变低。
2. 发送从设备地址（7位）+ 写位（0）： 主设备发送地址字节，等待从设备ACK。
3. 发送数据字节： 主设备逐字节发送数据，每字节后等待从设备ACK。
4. STOP条件： SCL高电平时，SDA由低变高。

4.2.2 Linux内核代码示例

// 主设备发送模式：向从设备写入2字节数据
#include <linux/i2c.h>

int i2c_master_send_example(struct i2c_client *client)
{
    u8 buf[2] = {0x10, 0xFF}; // 寄存器地址 + 数据
    int ret;

    ret = i2c_master_send(client, buf, 2);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&client->dev, "I2C send failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    return 0;
}

4.3 主设备接收模式

主设备接收模式用于从从设备读取数据。主设备先发送地址和读位，然后切换为接收者角色，从设备开始发送数据。

4.3.1 时序流程

1. START条件
2. 发送从设备地址（7位）+ 读位（1）： 等待从设备ACK。
3. 接收数据字节： 主设备读取SDA上的数据，每字节后主设备发送ACK（继续接收）或NACK（最后一个字节）。
4. STOP条件

4.3.2 Linux内核代码示例

// 主设备接收模式：从从设备读取2字节数据
int i2c_master_recv_example(struct i2c_client *client)
{
    u8 buf[2];
    int ret;

    ret = i2c_master_recv(client, buf, 2);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&client->dev, "I2C recv failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    dev_info(&client->dev, "Received: 0x%02X 0x%02X\n", buf[0], buf[1]);
    return 0;
}

4.4 复合传输格式与重复起始条件

复合传输（Combined Transfer）是I2C协议中最强大的特性之一，它允许在一次总线事务中切换数据方向，而无需释放总线。其核心机制是重复起始条件（Repeated START，Sr）。

4.4.1 重复起始条件定义

重复起始条件是指在一次传输过程中，在发送STOP条件之前，再次产生一个START条件。这允许主设备在不失去总线控制权的情况下改变通信方向或切换从设备。

4.4.2 典型复合传输：先写后读

这是传感器驱动中最常见的模式：先向从设备写入寄存器地址，然后立即读取该寄存器的值。

1. START条件
2. 发送从设备地址 + 写位（0） → 从设备ACK
3. 发送寄存器地址字节 → 从设备ACK
4. 重复起始条件（Sr） → 不发送STOP
5. 发送相同从设备地址 + 读位（1） → 从设备ACK
6. 接收数据字节 → 主设备NACK（最后字节）
7. STOP条件

4.4.3 Linux内核复合传输实现

// 复合传输：先写寄存器地址，再读数据（使用重复起始条件）
int i2c_combined_transfer(struct i2c_client *client, u8 reg_addr)
{
    struct i2c_msg msgs[2];
    u8 wbuf[1] = {reg_addr};
    u8 rbuf[1] = {0};
    int ret;

    // msg[0]: 写寄存器地址
    msgs[0].addr = client->addr;
    msgs[0].flags = 0;          // 写标志
    msgs[0].len = 1;
    msgs[0].buf = wbuf;

    // msg[1]: 读寄存器值
    msgs[1].addr = client->addr;
    msgs[1].flags = I2C_M_RD;   // 读标志
    msgs[1].len = 1;
    msgs[1].buf = rbuf;

    ret = i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);
    if (ret < 0) {
        dev_err(&client->dev, "Combined transfer failed: %d\n", ret);
        return ret;
    }
    dev_info(&client->dev, "Register 0x%02X = 0x%02X\n", reg_addr, rbuf[0]);
    return 0;
}

4.5 从设备发送与接收模式

从设备模式通常由I2C控制器IP核的从机模式实现，在Linux中对应i2c-slave子系统。普通外设驱动极少直接实现从设备逻辑，但理解其机制有助于调试总线问题。

4.5.1 从设备接收（Slave Receiver）

• 从设备检测到自身地址+写位后，开始接收主设备发送的数据。
• 每接收一个字节，从设备需在ACK周期拉低SDA。
• 若从设备无法及时处理数据，可发送NACK请求主设备停止。

4.5.2 从设备发送（Slave Transmitter）

• 从设备检测到自身地址+读位后，开始向主设备发送数据。
• 主设备每接收一个字节后发送ACK（继续）或NACK（停止）。
• 从设备需在SCL低电平期间准备下一个字节的数据。

4.6 四种模式对比总结

4.7 工程实践要点

• 原子操作： 对于多字节读写，优先使用复合传输（重复起始）而非分开的写/读操作，避免总线被其他主设备抢占。
• 错误处理： 检查i2c_transfer()返回值是否等于消息数量（num），小于0表示总线错误，等于0表示NACK。
• 超时机制： 在驱动中为I2C操作设置合理的超时时间（通常20ms~100ms），防止从设备无响应时系统挂死。
• 时钟延展： 部分从设备支持时钟延展（Clock Stretching），主设备驱动需正确处理SCL被从设备拉低的情况。