玳瑁的嵌入式日记---0928（ARM--I2C）

线与"（Wire-And）

数字通信和电路设计中，"线与" 是一种特殊的总线连接逻辑，核心是将多个设备的输出端直接连接在同一条传输线上，通过硬件逻辑实现 "多个设备同时输出时，总线最终状态为'与逻辑'结果" 的功能。它本质是利用特定器件的电气特性（如开漏 / 集电极输出），让多设备共享一条总线，无需额外控制器即可实现简单的多主设备协作或总线竞争处理。

一、"线与" 的核心原理：依赖 "开漏 / 集电极输出" 结构

"线与" 功能无法通过普通的推挽输出（如 TTL 推挽、CMOS 推挽）实现 ------ 因为推挽输出的 "高电平" 是由器件主动输出高电压（如 TTL 的 5V），若多个推挽输出设备同时连接总线，一旦某个设备输出高电平、另一个输出低电平，会导致总线被强制拉到 "高低电平短路" 状态，瞬间产生大电流，烧毁器件或损坏电路。

而 "线与" 必须依赖开漏输出（Open-Drain，OD） 或开集电极输出（Open-Collector，OC） 结构，这类输出的核心特点是：

仅能主动拉低总线，无法主动输出高电平：器件输出 "低电平" 时，内部晶体管导通，将总线强制拉到低电平（如 0V）；输出 "高电平" 时，内部晶体管截止，总线处于 "悬空" 状态，无法主动提供高电压。
需配合上拉电阻实现高电平：为让总线在 "悬空" 时能稳定输出高电平，必须在总线与电源（如 VCC）之间串联一个 "上拉电阻"。当所有设备均输出高电平时（晶体管都截止），总线通过上拉电阻被拉到电源电压（如 5V），表现为高电平；只要有一个设备输出低电平（晶体管导通），总线就会被拉到低电平。

由此，多个开漏 / 集电极输出设备共享总线时，总线的最终状态满足 **"与逻辑"**：只有所有设备都输出高电平（晶体管截止），总线才是高电平；只要有一个设备输出低电平（晶体管导通），总线就为低电平 ------ 这就是 "线与" 的本质逻辑。

1. 线与特性简述

线与是 I2C 总线（SDA、SCL 线）基于开漏输出 + 上拉电阻实现的关键电气特性，核心逻辑为：

总线最终电平遵循 "全高才高，一低则低"：当所有挂接在总线上的设备均释放总线（内部晶体管截止）时，总线通过上拉电阻被拉至电源高电平（逻辑 "1"）；只要有一个设备主动拉低总线（内部晶体管导通），总线就会被强制拉至低电平（逻辑 "0"）。
该特性是 I2C 多主设备协作的基础，例如多主设备同时竞争总线时，通过线与逻辑可实现 "非破坏性仲裁"------ 先拉低总线的设备优先占用，其他设备检测到总线与自身输出不一致时立即释放，避免数据冲突。

2. I2C 的 Start 信号与 Stop 信号

I2C 的 Start（起始）和 Stop（停止）信号是总线通信的 "边界标记"，由主设备生成，通过 SDA 和 SCL 线的电平变化组合定义：

（1）Start 信号（S 信号）

定义：在 SCL 线保持高电平（逻辑 "1"）的期间，SDA 线从高电平（逻辑 "1"）跳变为低电平（逻辑 "0"），此跳变即为 Start 信号。
作用：标志一次 I2C 通信的开始，告知所有挂接在总线上的从设备 "即将传输数据"，从设备会开始同步 SCL 时钟并准备接收从设备地址。

（2）Stop 信号（P 信号）

定义：在 SCL 线保持高电平（逻辑 "1"）的期间，SDA 线从低电平（逻辑 "0"）跳变为高电平（逻辑 "1"），此跳变即为 Stop 信号。
作用：标志一次 I2C 通信的结束，告知从设备 "当前传输已完成"，从设备可退出同步状态，总线恢复空闲（高电平）。

关键共性

两者均需在SCL 高电平期间完成 SDA 的跳变 ------ 若 SCL 为低电平时 SDA 跳变，仅视为数据位变化，不被识别为 Start/Stop 信号。

3. I2C 通信时序简述

I2C 通信由主设备主导，完整时序流程可分为 "起始→从设备地址 + 读写控制→应答→数据传输→停止"5 个核心阶段，具体如下：

阶段 1：发送 Start 信号（S）

主设备控制 SCL 为高电平，同时将 SDA 从高拉低，生成 Start 信号，总线进入 "忙" 状态。

阶段 2：传输从设备地址 + 读写控制位（8 位）

主设备通过 SDA 线逐位发送7 位从设备地址 （I2C 设备的唯一标识），再发送1 位读写控制位（"0" 表示主设备向从设备写数据，"1" 表示主设备从从设备读数据）。
传输规则：SDA 线的电平必须在SCL 低电平期间更新 （确保数据稳定），在SCL 高电平期间保持不变（从设备在此期间读取数据位）。

阶段 3：从设备应答（ACK/NACK，1 位）

第 8 位（读写控制位）传输完成后，主设备释放 SDA 线（转为输入模式），等待从设备发送应答信号：
- ACK（应答）：从设备在 SCL 高电平期间将 SDA 拉低，表示 "已正确接收地址 / 数据"，主设备可继续传输。
- NACK（非应答）：从设备在 SCL 高电平期间保持 SDA 高电平，表示 "未接收或接收错误"，主设备通常会终止通信（发送 Stop 信号）。

阶段 4：数据传输（8 位 / 次，可连续传输）

写数据（主→从）：主设备逐位发送 8 位数据，每发送完 1 字节，重复 "阶段 3" 的应答流程（从设备发送 ACK/NACK），直至所有数据传输完成。
读数据（从→主）：从设备逐位发送 8 位数据，每发送完 1 字节，主设备发送 ACK/NACK（ACK 表示 "继续读下一字节"，NACK 表示 "读完最后一字节"）。

阶段 5：发送 Stop 信号（P）

所有数据传输及应答完成后，主设备控制 SCL 为高电平，同时将 SDA 从低拉高，生成 Stop 信号，总线恢复 "空闲" 状态，一次通信结束。