I2C總線協(xié)議及工作原理

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I2C總線協(xié)議及工作原理

一、概述

1、I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。

SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動(dòng)EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。(邊沿觸發(fā))

SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成"線與"關(guān)系。

I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平〔SDL=1;SCL=1〕。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

2、主設(shè)備與從設(shè)備

系統(tǒng)中的全部外圍器件都具有一個(gè)7位的"從器件專用地址碼"，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由運(yùn)用者定義。主控器件通過地址碼建立多機(jī)通信的機(jī)制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個(gè)器件，其系統(tǒng)仍舊為簡(jiǎn)約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端需要是帶有CPU的規(guī)律模塊，在同一總線上同一時(shí)刻使能有一個(gè)主端，可以有多個(gè)從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容400pF的限制。

主端主要用來驅(qū)動(dòng)SCLline；

從設(shè)備對(duì)主設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)；

二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備掌握的。

二、協(xié)議

1.空閑狀態(tài)

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平常，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

2.起始位與停止位的定義：

起始信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

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起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立即接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件預(yù)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。

3.ACK

發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低電平常，規(guī)定為有效應(yīng)答位〔ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位〕，表示接收器已經(jīng)勝利地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平常，規(guī)定為非應(yīng)答位〔NACK〕，一般表示接收器接收該字節(jié)沒有勝利。對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。假如接收器是主控器，那么在它收到最末一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。

如下列圖規(guī)律分析儀的采樣結(jié)果：釋放總線后，假如沒有應(yīng)答信號(hào)，sda應(yīng)當(dāng)一貫持續(xù)為高電平，但是如圖中藍(lán)色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應(yīng)答信號(hào)。這里面給我們的兩個(gè)信息是：1)接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；2)應(yīng)答信號(hào)一貫保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識(shí)所指出的那樣。

4.數(shù)據(jù)的有效性：

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定，只/v.

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/v.有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許改變。

5.數(shù)據(jù)的傳送：

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)〔或同步掌握〕，即在SCL串行時(shí)鐘的協(xié)作下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。

工作過程

總線上的全部通信都是由主控器引發(fā)的。在一次通信中，主控器與被控器總是在扮演著兩種不同的角色。

1.主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

主設(shè)備發(fā)送起始位，這會(huì)通知總線上的全部設(shè)備傳輸開始了，接下來主機(jī)發(fā)送設(shè)備地址，與這一地址匹配的slave將繼續(xù)這一傳輸過程，而其它slave將會(huì)忽視接下來的傳輸并等待下一次傳輸?shù)拈_始。主設(shè)備尋址到從設(shè)備后，發(fā)送它所要讀取或?qū)懭氲膹脑O(shè)備的內(nèi)部寄存器地址；之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送停止位?！策@段看不懂就別看了，沒什么用〕

寫入過程如下：

發(fā)送起始位

1〕發(fā)送從設(shè)備的地址和讀/寫選擇位；釋放總線，等到EEPROM拉低總線進(jìn)行應(yīng)答；假如EEPROM接收勝利，那么進(jìn)行應(yīng)答；假設(shè)沒有握手勝利或者發(fā)送的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)EEPROM不產(chǎn)生應(yīng)答，此時(shí)要求重發(fā)或者終止。

2〕發(fā)送想要寫入的內(nèi)部寄存器地址；EEPROM對(duì)其發(fā)出應(yīng)答；

3〕發(fā)送數(shù)據(jù)

4〕發(fā)送停止位.

5〕EEPROM收到停止信號(hào)后，進(jìn)入到一個(gè)內(nèi)部的寫入周期，大略需要10ms，此間任何操作都不會(huì)被EEPROM

響應(yīng)

具體：

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需要說明的是：①主控器通過發(fā)送地址碼與對(duì)應(yīng)的被控器建立了通信關(guān)系，而掛接在總線上的其它被控器雖然同時(shí)也收到了地址碼，但由于與其自身的地址不相符合，因此提前退出與主控器的通信；

2.主控器讀取數(shù)據(jù)的過程：

讀的過程比較繁復(fù)，在從slave讀出數(shù)據(jù)前，你需要先要告知它哪個(gè)內(nèi)部寄存器是你想要讀取的，因此需要先對(duì)其進(jìn)行寫入(dummywrite)：

1〕發(fā)送起始位；

2〕發(fā)送slave地址+writebitset；

3)發(fā)送內(nèi)部寄存器地址；

4)重新發(fā)送起始位，即restart；

5)重新發(fā)送slave地址+readbitset；

6)讀取數(shù)據(jù)

主機(jī)接收器在接收到最末一個(gè)字節(jié)后，也不會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)。于是，從機(jī)發(fā)送器釋放SDA線，以允許主機(jī)發(fā)出P信號(hào)結(jié)束傳輸。

7)發(fā)送停止位

具體：

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2、數(shù)據(jù)傳送格式

〔1〕字節(jié)傳送與應(yīng)答

每一個(gè)字節(jié)需要保證是8位長度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位〔MSB〕，每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都需要跟隨一位應(yīng)答位〔即一幀共有9位〕。

由于某種緣由從機(jī)不對(duì)主機(jī)尋址信號(hào)應(yīng)答時(shí)〔如從機(jī)正在進(jìn)行實(shí)時(shí)性的處理工作而無法接收總線上的數(shù)據(jù)〕，它需要將數(shù)據(jù)線置于高電平，而由主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)終止信號(hào)以結(jié)束總線的數(shù)據(jù)傳送。

假如從機(jī)對(duì)主機(jī)進(jìn)行了應(yīng)答，但在數(shù)據(jù)傳送一段時(shí)間后無法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)可以通過對(duì)無法接收的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的“非應(yīng)答”通知主機(jī)，主機(jī)那么應(yīng)發(fā)出終止信號(hào)以結(jié)束數(shù)據(jù)的繼續(xù)傳送。

當(dāng)主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，它收到最末一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后，需要向從機(jī)發(fā)出一個(gè)結(jié)束傳送的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是由對(duì)從機(jī)的“非應(yīng)答”來實(shí)現(xiàn)的。然后，從機(jī)釋放SDA線，以允許主機(jī)產(chǎn)生終止信號(hào)。

〔2〕數(shù)據(jù)幀格式

I2C總線上傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)是廣義的，既包括地址信號(hào)，又包括真正的數(shù)據(jù)信號(hào)。

在起始信號(hào)后需要傳送一個(gè)從機(jī)的地址〔7位〕，第8位是數(shù)據(jù)的傳送方向位〔R/〕，用“0”表示主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)〔T〕，“1”表示主機(jī)接收數(shù)據(jù)〔R〕。每次數(shù)據(jù)傳送總是由主機(jī)產(chǎn)生的終止信號(hào)結(jié)束。但是，假設(shè)主機(jī)盼望繼續(xù)占用總線進(jìn)行新的數(shù)據(jù)傳送，那么可以不產(chǎn)生終止信號(hào)，立刻再次發(fā)出起始信號(hào)對(duì)另一從機(jī)進(jìn)行尋址。

在總線的一次數(shù)據(jù)傳送過程中，可以有以下幾種組合方式：

a、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向在整個(gè)傳送過程中不變：

注：有陰影部分表示數(shù)據(jù)由主機(jī)向從機(jī)傳送，無陰影部分那么表示數(shù)據(jù)由從機(jī)向主機(jī)傳送。A表示應(yīng)答，表示非應(yīng)答〔高電平〕。S表示起始信號(hào)，P表示終止信號(hào)。

b、主機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后，馬上由從機(jī)讀數(shù)據(jù)

c、在傳送過程中，當(dāng)需要轉(zhuǎn)變傳送方向時(shí)，起始信號(hào)和從機(jī)地址都被重復(fù)產(chǎn)生一次，但兩次讀/寫方向位正好反相。

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6、總線的尋址

I2C總線協(xié)議有明確的規(guī)定：采納7位的尋址字節(jié)〔尋址字節(jié)是起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)〕。

〔1〕尋址字節(jié)的位定義

D7～D1位組成從機(jī)的地址。D0位是數(shù)據(jù)傳送方向位，為“0”時(shí)表示主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)，為“1”時(shí)表示主機(jī)由從機(jī)讀數(shù)據(jù)。

主機(jī)發(fā)送地址時(shí)，總線上的每個(gè)從機(jī)都將這7位地址碼與自己的地址進(jìn)行比較，假如相同，那么認(rèn)為自己正被主機(jī)尋址，依據(jù)R/位將自己確定為發(fā)送器或接收器。

從機(jī)的地址由固定部分和可編程部分組成。在一個(gè)系統(tǒng)中可能盼望接入多個(gè)相同的從機(jī)，從機(jī)地址中可編程部分決斷了可接入總線該類器件的最大數(shù)目。如一個(gè)從機(jī)的7位尋址位有4位是固定位，3位是可編程位，這時(shí)僅能尋址8個(gè)同樣的器件，即可以有8個(gè)同樣的器件接入到該I2C總線系統(tǒng)中。

〔2〕尋址字節(jié)中的非常地址

固定地址編號(hào)0000和1111已被保留作為非常用途。

起始信號(hào)后的第一字節(jié)的8位為“00000000”時(shí)，稱為通用呼叫地址。通用呼叫地址的用意在第二字節(jié)中加以說明。格式為：

第二字節(jié)為06H〔0110〕時(shí)，全部能響應(yīng)通用呼叫地址的從機(jī)器件復(fù)位，并由硬件裝

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入從機(jī)地址的可編程部分。能響應(yīng)指令的從機(jī)器件復(fù)位時(shí)不拉低SDA和SCL線，以免堵塞總線。

第二字節(jié)為04H〔0100〕時(shí)，全部能響應(yīng)通用呼叫地址并通過硬件來定義其可編程地址的從機(jī)器件將鎖定地址中的可編程位，但不進(jìn)行復(fù)位。

假如第二字節(jié)的方向位B為“1”，那么這兩個(gè)字節(jié)指令稱為硬件通用呼叫指令。

在這第二字節(jié)的高7位說明自己的地址。接在總線上的智能器件，如單片機(jī)或其他微處理器能識(shí)別這個(gè)地址，并與之傳送數(shù)據(jù)。硬件主器件作為從機(jī)運(yùn)用時(shí)，也用這個(gè)地址作為從機(jī)地址。格式為：

在系統(tǒng)中另一種選擇可能是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)硬件主機(jī)器件工作在從機(jī)接收器方式，這時(shí)由系統(tǒng)中的主機(jī)先告知硬件主機(jī)器件數(shù)據(jù)應(yīng)送往的從機(jī)器件地址，當(dāng)硬件主機(jī)器件要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就可以徑直向指定從機(jī)器件發(fā)送數(shù)據(jù)了。

〔3〕起始字節(jié)

起始字節(jié)是提供應(yīng)沒有I2C總線接口的單片機(jī)查詢I2C總線時(shí)運(yùn)用的非常字節(jié)。

不具備I2C總線接口的單片機(jī)，那么需要通過軟件不斷地檢測(cè)總線，以便實(shí)時(shí)地響應(yīng)總線的懇求。單片機(jī)的速度與硬件接口器件的速度就涌現(xiàn)了較大的差別，為此，I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送要由一個(gè)較長的起始過程加以引導(dǎo)。

引導(dǎo)過程由起始信號(hào)、起始字節(jié)、應(yīng)答位、重復(fù)起始信號(hào)〔Sr〕組成。

懇求訪問總線的主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)后，發(fā)送起始字節(jié)〔00000001〕，另一個(gè)單片機(jī)可以用一個(gè)比較低的速率采樣SDA線，直到檢測(cè)到起始字節(jié)中的7個(gè)“0”中的一個(gè)為止。在檢測(cè)到SDA線上的高電平后，單片機(jī)就可以用較高的采樣速率，以便查找作為同步信號(hào)運(yùn)用的第二個(gè)起始信號(hào)Sr。

在起始信號(hào)后的應(yīng)答時(shí)鐘脈沖僅僅是為了和總線所運(yùn)用的格式全都，并不要求器件在這個(gè)脈沖期間作應(yīng)答。

總線數(shù)據(jù)傳送的模擬

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I2C總線協(xié)議及工作原理

一、概述

1、I2C總線只有兩根雙向信號(hào)線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。

SCL：上升沿將數(shù)據(jù)輸入到每個(gè)EEPROM器件中；下降沿驅(qū)動(dòng)EEPROM器件輸出數(shù)據(jù)。(邊沿觸發(fā))

SDA：雙向數(shù)據(jù)線，為OD門，與其它任意數(shù)量的OD與OC門成"線與"關(guān)系。

I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平〔SDL=1;SCL=1〕。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系。

2、主設(shè)備與從設(shè)備

系統(tǒng)中的全部外圍器件都具有一個(gè)7位的"從器件專用地址碼"，其中高4位為器件類型，由生產(chǎn)廠家制定，低3位為器件引腳定義地址，由運(yùn)用者定義。主控器件通過地址碼建立多機(jī)通信的機(jī)制，因此I2C總線省去了外圍器件的片選線，這樣無論總線上掛接多少個(gè)器件，其系統(tǒng)仍舊為簡(jiǎn)約的二線結(jié)構(gòu)。終端掛載在總線上，有主端和從端之分，主端需要是帶有CPU的規(guī)律模塊，在同一總線上同一時(shí)刻使能有一個(gè)主端，可以有多個(gè)從端，從端的數(shù)量受地址空間和總線的最大電容400pF的限制。

主端主要用來驅(qū)動(dòng)SCLline；

從設(shè)備對(duì)主設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)；

二者都可以傳輸數(shù)據(jù)，但是從設(shè)備不能發(fā)起傳輸，且傳輸是受到主設(shè)備掌握的。

二、協(xié)議

1.空閑狀態(tài)

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號(hào)線同時(shí)處于高電平常，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時(shí)各個(gè)器件的輸出級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號(hào)線各自的上拉電阻把電平拉高。

2.起始位與停止位的定義：

起始信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由高到低的跳變；啟動(dòng)信號(hào)是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高期間，SDA由低到高的跳變；停止信號(hào)也是一種電平跳變時(shí)序信號(hào)，而不是一個(gè)電平信號(hào)。

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起始和終止信號(hào)都是由主機(jī)發(fā)出的，在起始信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于被占用的狀態(tài)；在終止信號(hào)產(chǎn)生后，總線就處于空閑狀態(tài)。

接收器件收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)后，有可能需要完成一些其它工作，如處理內(nèi)部中斷服務(wù)等，可能無法立即接收下一個(gè)字節(jié)，這時(shí)接收器件可以將SCL線拉成低電平，從而使主機(jī)處于等待狀態(tài)。直到接收器件預(yù)備好接收下一個(gè)字節(jié)時(shí)，再釋放SCL線使之為高電平，從而使數(shù)據(jù)傳送可以繼續(xù)進(jìn)行。

3.ACK

發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低電平常，規(guī)定為有效應(yīng)答位〔ACK簡(jiǎn)稱應(yīng)答位〕，表示接收器已經(jīng)勝利地接收了該字節(jié)；應(yīng)答信號(hào)為高電平常，規(guī)定為非應(yīng)答位〔NACK〕，一般表示接收器接收該字節(jié)沒有勝利。對(duì)于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。假如接收器是主控器，那么在它收到最末一個(gè)字節(jié)后，發(fā)送一個(gè)NACK信號(hào)，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)P。

如下列圖規(guī)律分析儀的采樣結(jié)果：釋放總線后，假如沒有應(yīng)答信號(hào)，sda應(yīng)當(dāng)一貫持續(xù)為高電平，但是如圖中藍(lán)色虛線部分所示，它被拉低為低電平，證明收到了應(yīng)答信號(hào)。這里面給我們的兩個(gè)信息是：1)接收器在SCL的上升沿到來之前的低電平期間拉低SDA；2)應(yīng)答信號(hào)一貫保持到SCL的下降沿結(jié)束；正如前文紅色標(biāo)識(shí)所指出的那樣。

4.數(shù)據(jù)的有效性：

I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)需要保持穩(wěn)定，只/v.

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/v.有在時(shí)鐘線上的信號(hào)為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許改變。

5.數(shù)據(jù)的傳送：

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)〔或同步掌握〕，即在SCL串行時(shí)鐘的協(xié)作下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。

工作過程

總線上的全部通信都是由主控器引發(fā)的。在一次通信中，主控器與被控器總是在扮演著兩種不同的角色。

1.主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

主設(shè)備發(fā)送起始位，這會(huì)通知總線上的全部設(shè)備傳輸開始了，接下來主機(jī)發(fā)送設(shè)備地址，與這一地址匹配的slave將繼續(xù)這一傳輸過程，而其它slave將會(huì)忽視接下來的傳輸并等待下一次傳輸?shù)拈_始。主設(shè)備尋址到從設(shè)備后，發(fā)送它所要讀取或?qū)懭氲膹脑O(shè)備的內(nèi)部寄存器地址；之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，發(fā)送停止位?！策@段看不懂就別看了，沒什么用〕

寫入過程