I2C为什么从机地址要左移一位

本文解析了在I2C通信中为何需要将从机地址左移一位发送,涉及I2C时序图的解读,以及左对齐地址的必要性。强调了在使用现代I2C驱动库时,开发者无需手动处理地址移位。

        对许多刚开始接触I2C的新手来说,最开始比较疑惑,当MCU做主机与一些I2C接口的从机(比如一些数字传感器,大多数仍为I2C接口)通信时,无论是用IO模拟I2C协议还是使用I2C模块,在发送从机地址时为什么都需要将从机手册的I2C地址左移一位发出去呢?当然这个问题是比较初级的了,高手直接略过,新手权且简单看一看作为学习资料吧。

    首先以飞思卡尔Kinetis系列为例(咳咳,好多人估计都快吐了,肿么又是Kinetis,俺也木有办法,谁让俺天天就接触这个了,呵呵),我们先看看I2C模块的地址寄存器如下图,这个比较直接明了,即本身地址寄存器就是高八位有效的,所以我们在写入从机地址时肯定需要左移一位再写进去,但是又有人要问了,为啥做成左对齐的格式呢(俺们都是习惯了右对齐啊),咳咳,那我们只能忍一忍继续往下看。

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    好了,首先恭喜你坚持下来继续往下看,呵呵,先上图,该图为I2C的时序图,这个图更为直接的解释了左对齐地址及左移一位的原因,首先I2C的从机地址时MSB先发送的,所以需要左对齐,其次I2C时序中第8位即LSB使其R/W即读写控制位,这下又明了了吧,这也就是为什么我们在读写I2C从机时都会左移一位然后或上一个读写位了,如果不左移,后果你们都懂的,呵呵。

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        其实说到这,本篇文章应该就该收尾结束了,但是我想提醒的是,现在包括飞思卡尔官方或者第三方都提供了比较完善的I2C驱动库(或者MQX下的I2C驱动),其驱动里面已经做好了移位及读写控制操作,所以我们在调用函数接口时传递I2C从机地址时只需要把从机手册中的I2C地址直接填进去即可,我们不需要自己先左移好地址在传递过去,这样的话传的地址就不对了。之所以最后提醒一句就是之前的确有用户遇到这样的问题了,最后花了很长时间才发现是自己预移一位造成从机地址错误了

<think>首先,用户的问题是:“I2C communication how to read acknowledge bit after master sends slave address”,翻译成中文是:“在I2C通信中,主机发送从机地址后如何读取应答”。 根据系统级指令: - 所有行内数学表达式使用$...$格式。 - 独立公式使用$$...$$格式。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 参考提供的引用内容。 提供的引用内容: - 引用[1]:描述了I2C应答信号、写流程和读流程。 - 引用[2]:关于数据传输格式。 - 引用[3]:关于Linux I2C体系结构。 - 引用[4]:关于使用GPIO模拟I2C的困难。 用户的问题集中在读取应答(ACK)的机制上。 关键点从引用[1]: - Master每发送完8bit数据后等待Slave的ACK。 - 在第9个clock,若从IC发ACK,SDA会被拉低。若没有ACK,SDA会被置高。 - 这会引起Master发生RESTART或STOP流程。 从引用[2]: - 每个字节后跟一个ACK。 - 数据传输格式。 回答结构: 1. **解释ACK机制**:描述ACK是什么,如何工作。 2. **步骤描述**:主机发送从机地址后,如何读取ACK。 3. **硬件实现**:简要说明在硬件级别如何检测ACK。 4. **软件层面**:如果在微控制器或Linux中实现。 5. **生成相关问题**:在末尾添加相关问题。 使用中文回答。 确保引用自然添加:在相关段落末尾添加引用标识,如[^1]。 最终回答结构: - 引言:简要解释问题。 - 详细步骤。 - 总结。 - 相关问题。 现在,构建回答。</think>### I2C通信中主机发送从机地址后读取应答的机制 在I2C(Inter-Integrated Circuit)通信中,主机(Master)发送从机(Slave)地址后读取应答(ACK)是一个关键步骤,用于确认从机是否成功接收地址或数据。应答由从机在第9个时钟周期(SCL)通过拉低SDA(Serial Data Line)线来表示确认(ACK),或保持SDA高电平表示非确认(NACK)。以下是详细的解释和步骤,帮助您逐步理解这个过程。回答基于I2C标准协议和硬件实现原理[^1][^2]。 #### 1. **ACK的基本机制** - **ACK的定义**:在I2C通信中,每个字节(8数据)传输后,主机必须等待一个应答(ACK)。这个由从机在第9个SCL时钟周期控制: - 如果从机发送ACK,它会主动拉低SDA线(SDA = 0)。 - 如果从机发送NACK(非确认),它会让SDA线保持高电平(SDA = 1),主机检测到这个状态后,通常会触发错误处理,如重启(RESTART)或停止(STOP)通信[^1]。 - **数学表示**:设SDA线状态为$s \in \{0,1\}$,其中$s=0$表示ACK,$s=1$表示NACK。主机在第9个时钟周期采样SDA线,得到$s$的值。 - **时序要求**:ACK发生在主机发送完8从机地址后的第9个SCL上升沿或下降沿(具体取决于硬件实现)。I2C协议规定,SDA线必须在SCL高电平期间保持稳定,以避免信号冲突[^2]。 #### 2. **主机读取ACK的具体步骤** 主机发送从机地址后,读取ACK的过程是标准化的。以下是基于I2C写流程的详细步骤(以主机向从机写数据为例,但读地址的ACK机制类似): 1. **主机发送START信号**:主机拉低SDA线,同时SCL线保持高电平,表示通信开始。 2. **主机发送从机地址和操作**:主机发送7从机地址(例如,$0x50$)加1操作码(写操作时为0,读操作时为1),总共8数据。每个在SCL的下降沿输出。 3. **等待第9个时钟周期**:主机发送完8地址后,释放SDA线(即SDA线变为高阻态,允许从机控制),并生成第9个SCL时钟脉冲。 - 在这个时钟周期内: - 主机作为接收方,检测SDA线的电平。 - 如果从机存在并接受地址,它会拉低SDA线(ACK信号)。 - 如果从机不存在或忙,SDA线保持高电平(NACK信号)。 4. **主机读取SDA状态**:主机在第9个SCL的上升沿或下降沿采样SDA线: - 如果采样到$s=0$(SDA低电平),表示ACK,通信继续。 - 如果采样到$s=1$(SDA高电平),表示NACK,主机应终止通信(发送STOP信号)或重试(发送RESTART信号)[^1]。 5. **后续操作**:如果收到ACK,主机继续发送或接收数据;如果收到NACK,主机处理错误(例如,重试或报告错误)。 #### 3. **硬件和软件实现方式** - **硬件层面**:在微控制器(如ARM Cortex-M系列)中,I2C控制器通常内置状态机。主机通过读取I2C状态寄存器来检测ACK。例如: - 状态寄存器中的ACK标志(如I2C_SR1.ACK)会在第9个SCL周期后自动更新:0表示ACK,1表示NACK。 - 在SCL时钟驱动下,SDA线的电平变化被硬件捕获,无需主机手动操作SDA线[^4]。 - **软件层面**(以嵌入式C代码示例): - 在初始化I2C后,主机发送地址,然后检查状态寄存器。 - 伪代码示例: ```c // 发送从机地址(写操作,地址0x50) I2C_SendData(I2C1, 0x50 << 1); // 地址左移1,最低为0表示写 // 等待传输完成 while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED)); // 读取ACK状态:如果事件标志为ACK,表示成功 if (I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_ACK_FAILURE) == RESET) { // ACK收到,继续通信 } else { // NACK处理,如发送STOP I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE); } ``` - 在Linux驱动中,使用i2c_adapter和i2c_algorithm结构体处理ACK,内核会自动检测ACK[^3]。 - **注意事项**:如果使用GPIO模拟I2C(软件实现),主机必须在第9个SCL周期手动读取SDA引脚电平。但这种方法复杂且易出错,建议使用硬件I2C控制器[^4]。 #### 4. **常见问题与解决方案** - **为什么读取不到ACK?** 可能原因包括从机地址错误、SDA线未正确上拉或从机未响应。检查: - 地址格式(7地址 + 操作)。 - 上拉电阻(通常4.7kΩ)确保SDA线在空闲时为高电平。 - 从机状态(如EEPROM是否忙)。 - **性能优化**:在高速I2C模式下,缩短SCL时钟周期可提高效率,但要确保时序满足$t_{\text{SU,DAT}}$(数据建立时间)等参数[^2]。 总结:主机发送从机地址后,通过在第9个SCL时钟周期检测SDA线电平来读取ACK。ACK(SDA=0)表示从机响应,通信继续;NACK(SDA=1)表示错误,需处理。实际实现中,优先使用硬件I2C控制器简化开发[^1][^2]。
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