I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是一種用于連接微控制器和各種外圍設備的通信協議。它使用兩條線：串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL），實現了設備之間的簡單、高效通信。以下是I2C總線數據包結構的詳解：

一、I2C總線數據包的基本組成

I2C總線上的數據傳輸以數據包為單位進行，每個數據包包含起始信號、設備地址、數據傳輸方向位、數據字節以及應答信號（ACK/NACK）等部分。

1. 起始信號（S） ：
   • 起始信號標志著數據傳輸的開始。當SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，即產生起始信號。
   • 所有連接到I2C總線的設備都會檢測到起始信號，并準備接收后續的數據。
2. 設備地址 ：
   • 緊接著起始信號的是設備地址。I2C總線上的每個設備都有一個唯一的地址，用于區分不同的設備。
   • 設備地址可以是7位或10位，但在實際應用中，7位地址更為常見。
   • 設備地址后面緊跟著一個數據傳輸方向位，用于指示后續的數據傳輸方向。該位為0時表示寫操作，為1時表示讀操作。
3. 數據字節 ：
   • 數據以字節為單位進行傳輸，每個字節包含8位數據。
   • 在傳輸每個字節時，主設備在SCL的每個時鐘周期內將一位數據放置在SDA線上。數據從高位到低位依次傳輸。
4. 應答信號（ACK/NACK） ：
   • 每傳輸完一個字節后，接收設備會返回一個應答信號。
   • 應答信號為低電平時表示應答（ACK），表示接收設備已正確接收到數據，并準備接收下一個字節。
   • 應答信號為高電平時表示非應答（NACK），表示接收設備無法接收更多數據或數據傳輸出現錯誤。

二、I2C總線數據包的傳輸過程

1. 寫操作 ：
   • 主設備發送起始信號。
   • 主設備發送從設備地址和數據傳輸方向位（寫操作）。
   • 從設備確認地址匹配后返回應答信號。
   • 主設備發送數據字節。
   • 從設備接收數據字節并返回應答信號。
   • 重復上述步驟，直到所有數據傳輸完畢。
   • 主設備發送停止信號，標志著數據傳輸的結束。
2. 讀操作 ：
   • 主設備發送起始信號。
   • 主設備發送從設備地址和數據傳輸方向位（讀操作）。
   • 從設備確認地址匹配后返回應答信號。
   • 從設備發送數據字節。
   • 主設備接收數據字節并返回應答信號（如果需要繼續接收數據）或非應答信號（如果不需要繼續接收數據）。
   • 重復上述步驟，直到所有數據傳輸完畢。
   • 主設備發送停止信號，標志著數據傳輸的結束。

三、I2C總線數據包的復合格式

在實際應用中，I2C通信更常用的是復合格式，即在一次通信過程中包含多次起始信號和停止信號。這種格式允許主設備在一次通信中訪問多個從設備或進行復雜的讀寫操作。

例如，主設備可以先向一個從設備發送一個寄存器地址，然后讀取該寄存器的值。在這個過程中，主設備會先發送起始信號、從設備地址和寫操作方向位，然后發送寄存器地址。接著，主設備會再次發送起始信號、從設備地址和讀操作方向位，然后從設備會返回寄存器的值。最后，主設備發送停止信號結束通信。