I2C总线通信的过程有哪些？

主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件．在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。

I²C（Inter-Intergrated Circuit）总线通信是一个主从式、同步、串行、半双工的通信协议，其通信过程包含以下关键步骤：

总线空闲状态 (Bus Idle State)
- 在通信开始前，总线处于空闲状态。
- SDA（串行数据线）和 SCL（串行时钟线） 都必须被上拉电阻拉至高电平。
起始条件 (START Condition)
- 当总线空闲时，主设备通过发起 START 条件来开始一次通信。
- 主设备将 SDA 线从高电平切换到低电平，同时 SCL 线保持高电平。
- 在 SCL 为高电平时 SDA 的下降沿标志着 START 条件。
发送从设备地址帧 (Slave Address Frame)
- START 条件之后，主设备开始发送数据（时钟由主设备产生）。
- 第一个数据字节（8-bit）是从设备地址帧。
  - 7-bit 地址 (MSB First)：前 7 位（Bit 7 到 Bit 1）是目标从设备的唯一地址（0x00 - 0x7F）。
  - 1-bit 读写指示 (Bit 0)：最低位（LSB）表示主设备是向从设备写入数据 (0) 还是从从设备读取数据 (1)。
  - (注意：存在 10-bit 地址扩展模式，过程类似但需发送两个地址帧)
接收应答位 (ACK)
- 每个数据字节（包括地址字节）发送完毕后（8 个数据位后），发送方会释放 SDA 线。
- 接收方必须在第 9 个时钟脉冲（ACK/NACK 时钟周期）期间做出响应：
  - ACK (Acknowledgement)：接收方（此时对于地址帧通常是从设备）成功接收到字节后，会将 SDA 线拉低，表示应答有效。
  - NACK (Negative Acknowledgement)：如果接收方没有成功接收（例如地址不匹配），或主设备在读取过程中结束传输，SDA 线保持高电平，表示不应答。
数据传输 (Data Frames)
- ACK 之后，通信将继续：
  - 写操作 (主->从)：主设备发送数据字节（8-bit）。每个字节后，从设备必须发送 ACK（拉低 SDA）来确认接收，然后主设备继续发送下一个字节或产生停止条件。
  - 读操作 (从->主)：主设备释放 SDA 控制权（但仍在产生 SCL），由被寻址的从设备在 SCL 上升沿期间将数据放到 SDA 线上。每个字节后，主设备必须发送 ACK（拉低 SDA）来确认接收并通知从设备继续发送（除了最后一个字节），或发送 NACK（保持 SDA 高）来通知从设备停止发送。
- 无论是地址帧还是数据帧，都是在 SCL 为低电平期间允许 SDA 变化，在 SCL 为高电平时 SDA 必须保持稳定（供接收方采样）。
- 数据按照高位在前 (MSB First) 的顺序传输。
重复起始条件 (Repeated START Condition - Sr)
- 主设备可以在不释放总线控制权（不发出 STOP 条件）的情况下，通过发出一个新的 START 条件（SDA 从高到低的跳变发生在 SCL 高电平期间）来开始与另一个（或同一个）从设备的新通信序列。
- 这在切换读写方向或与多个从设备通信时很常用。
停止条件 (STOP Condition)
- 主设备通过发起 STOP 条件来结束一次通信并释放总线。
- 主设备在 SCL 线为高电平时，将 SDA 线从低电平切换到高电平。
- 在 SCL 为高电平时 SDA 的上升沿标志着 STOP 条件。
- 总线随后返回空闲状态（SDA 和 SCL 均为高电平）。

总结流程图：

空闲： SDA = H, SCL = H
START： SDA: H->L (while SCL=H)
地址帧发送： 主设备发送7位地址 + 1位读/写位
地址ACK： 从设备拉低SDA响应
数据帧传输：
- 写操作：
  - 主设备发送数据字节
  - 从设备ACK响应
  - (重复数据发送+ACK)
- 读操作：
  - 从设备发送数据字节
  - 主设备ACK响应（要求继续）或NACK响应（结束读取）
  - (重复数据发送+ACK/NACK)
可选 Sr： 发出新的 START 条件
STOP： SDA: L->H (while SCL=H) -> 总线空闲