2. I2C 时序基础：起始条件、停止条件、数据有效性、字节传输格式、ACK/NACK 机制

I2C 总线上的所有通信行为都建立在严格的时序协议之上。理解起始条件、停止条件、数据有效性、字节传输格式以及应答机制，是后续配置寄存器实现从机地址匹配与应答时序的基石。本章将逐一拆解这些核心时序单元，并辅以图形化说明。

2.1 起始条件 (START Condition) 与停止条件 (STOP Condition)

SCL 为高电平时，SDA 上的特定跳变定义了总线的开始与结束。这两个条件是总线空闲与通信状态的切换标志。

2.2 数据有效性 (Data Validity)

I2C 协议规定，数据位的采样发生在 SCL 的上升沿。为了保证数据被正确采样，SDA 上的电平必须在 SCL 低电平期间完成切换，并在 SCL 高电平期间保持稳定。

• 数据变化：仅在 SCL 为低电平时，SDA 允许改变电平。
• 数据采样：在 SCL 的上升沿，接收方锁存 SDA 上的当前电平。
• 数据保持：在 SCL 高电平期间，SDA 必须保持稳定，不得跳变。

2.3 字节传输格式 (Byte Transfer Format)

I2C 总线以字节为单位进行数据传输，每个字节固定为 8 位，且高位（MSB）在前。每传输完一个字节后，接收方必须回复一个应答位（ACK/NACK）。

单字节传输序列：

1. 主机产生起始条件 (S)。
2. 主机发送 8 位数据（高位在前）。
3. 主机释放 SDA（置为高阻），等待从机应答。
4. 从机在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA（ACK）或保持高电平（NACK）。
5. 主机产生停止条件 (P) 或重复起始条件 (Sr)。

2.4 ACK/NACK 机制详解

应答机制是 I2C 协议保证通信可靠性的核心。每传输完一个字节，接收方必须给出应答信号。主机通过检测应答位来判断下一步操作。

2.4.1 应答信号定义

• ACK (Acknowledge)：在第 9 个 SCL 周期，接收方将 SDA 拉低，表示“已成功接收字节，请继续发送”。
• NACK (Not Acknowledge)：在第 9 个 SCL 周期，接收方保持 SDA 为高电平，表示“接收失败”或“传输结束”。

2.4.2 常见 NACK 场景

2.5 完整帧结构示例

一个典型的 I2C 写操作帧包含：起始条件、7 位从机地址 + 读写位（R/W）、从机 ACK、8 位数据、从机 ACK、停止条件。下图展示了主机向地址为 0x50 的从机写入一个字节 0xA5 的完整时序。

// 伪代码：主机发送一字节数据到从机
// 1. 产生起始条件
I2C_GenerateSTART(ENABLE);
// 2. 等待起始条件完成
while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));
// 3. 发送从机地址 + 写位 (0x50 << 1 | 0 = 0xA0)
I2C_Send7bitAddress(0x50, I2C_Direction_Transmitter);
// 4. 等待地址发送完成并收到 ACK
while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));
// 5. 发送数据 0xA5
I2C_SendData(0xA5);
// 6. 等待数据发送完成并收到 ACK
while(!I2C_CheckEvent(I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));
// 7. 产生停止条件
I2C_GenerateSTOP(ENABLE);