4. I2C 地址与读写操作：7位地址与10位地址、读/写位、多字节传输格式

I2C 总线协议的核心在于其独特的寻址机制与读写控制方式。每个从设备都有一个唯一的地址，主设备通过地址来选择通信对象，并通过读/写位（R/W）决定数据传输方向。本章将深入解析 7 位与 10 位地址结构、读写位的作用以及多字节传输的完整格式，为 GPIO 模拟 I2C 驱动开发奠定协议基础。

4.1 7 位地址结构

标准 I2C 总线使用 7 位地址，最多可挂载 112 个从设备（保留 16 个地址用于特殊用途）。地址在起始条件（START）后由主设备发送，占用第一个字节的高 7 位，最低位为读写控制位（R/W）。

4.2 10 位地址结构

当系统需要挂载超过 112 个从设备时，I2C 规范定义了 10 位地址模式。10 位地址使用两个字节传输：第一个字节的高 5 位固定为 11110，后跟地址的高 2 位（A9、A8）和 R/W 位；第二个字节为地址的低 8 位（A7 ~ A0）。

4.3 读/写位（R/W）

R/W 位是地址字节的最低位，用于指示数据传输方向：

• R/W = 0（写操作）： 主设备向从设备发送数据。地址字节后，主设备继续发送数据字节，从设备每接收一个字节后回复 ACK。
• R/W = 1（读操作）： 主设备从从设备读取数据。地址字节后，从设备发送数据字节，主设备每接收一个字节后回复 ACK（最后一个字节回复 NACK 以结束传输）。

4.4 多字节传输格式

I2C 支持在一个传输事务中连续发送或接收多个字节。多字节传输格式分为 写多字节 和 读多字节 两种场景。

4.4.1 写多字节传输

主设备发送起始条件后，依次发送从设备地址（R/W=0）、寄存器地址（可选）、多个数据字节，最后发送停止条件。每个字节后从设备回复 ACK。

// 写多字节传输时序（伪代码）
START();
send_byte(device_addr << 1 | 0);  // 写地址
wait_ack();
send_byte(reg_addr);               // 寄存器地址
wait_ack();
send_byte(data[0]);                // 数据字节 1
wait_ack();
send_byte(data[1]);                // 数据字节 2
wait_ack();
// ... 更多数据字节 ...
send_byte(data[N-1]);              // 数据字节 N
wait_ack();
STOP();

4.4.2 读多字节传输

读多字节通常采用组合传输：先写寄存器地址，再重复起始条件切换为读方向，连续读取多个字节。主设备在最后一个字节回复 NACK 以通知从设备停止发送。

// 读多字节传输时序（伪代码）
START();
send_byte(device_addr << 1 | 0);  // 写地址（指定寄存器）
wait_ack();
send_byte(reg_addr);               // 寄存器地址
wait_ack();
REPEATED_START();                  // 重复起始条件
send_byte(device_addr << 1 | 1);  // 读地址
wait_ack();
data[0] = read_byte();            // 读取字节 1
send_ack();                        // 回复 ACK
data[1] = read_byte();            // 读取字节 2
send_ack();                        // 回复 ACK
// ... 更多数据字节 ...
data[N-1] = read_byte();          // 读取字节 N
send_nack();                       // 回复 NACK（结束）
STOP();

4.5 地址与读写操作总结