32位8051单片机原理及C语言程序设计视频教程-学习打卡

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打卡第二十二集-CDC串口通信

CDC串口，全称是USB CDC（Communications Device Class，通信设备类）串口。它不是什么新的硬件接口，而是一种通过USB接口虚拟传统物理串口（如COM口）的技术。

简单来说，就是让你的电脑把一个通过USB连接的设备（比如单片机开发板）识别成一个普通的串口设备。这样一来，你可以继续使用熟悉的串口调试助手等软件，通过USB线进行高速、便捷的数据通信，而无需任何物理串口线。

💡 它有什么优势？

与传统串口相比，USB CDC串口的主要优势在于：

特性	传统串口 (RS-232)	USB CDC 虚拟串口
传输速度	较慢，典型速度 115200 bps	快得多，USB全速模式下可达12 Mbps
接口与连线	专用9针接口，线缆笨重	使用通用的 USB接口和线缆，小巧轻便
供电能力	通常不能供电	可通过USB总线为设备提供电源（通常5V）
即插即用	不支持，需关机连接	支持热插拔，操作系统能自动识别

⚙️ 它是如何工作的？

USB CDC串口在内部实现上主要分为两个部分：

1. 控制接口：负责"管理"工作。当你在电脑上打开虚拟串口并设置波特率（如115200）时，这个接口就会接收到命令，并通知另一端的设备按此参数进行配置。
2. 数据接口：负责实际的"数据传输"。它包含两个"端点"（可以理解为数据通道），一个用于设备向电脑发送数据（IN端点），另一个用于电脑向设备发送数据（OUT端点）。

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CDC串口实现不停电下载回顾

在安装好开发环境之后，执行如下操作

1)下载.lib库和头文件

2)新建工程，加载lib库文件

3)调用头文件并初始化USB功能

4)设置工程参数，编译选项等

5)首次下载手动进入HID下载模式下载

6)下载完成等待生成CDC串口号，设置ISP软件参数

执行完如上步骤，再也不需要手动进下载模式了，只要ISP软件点一下下载程序就可以自动烧录。

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打卡第二十三集-看门狗

复位的主要作用是把单片机内部的特殊功能寄存器置于初始状态，使单片机硬件、软件从一个确定的、唯一的起点开始工作。

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复位方式

上电复位

低压复位

复位脚复位

看门狗复位

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看门狗

看门狗是一个计数器，它的基本功能是在软件问题和程序跑偏后重启系统。看门狗正常工作时会自动计数，程序进程会定时将其归零。如果系统在某个地方卡住了或者跑了，定时器就会溢出，是系统强制复位。

软件的可靠性一直是一个关键问题。任何使用软件的人都可能遇到电脑死机或程序失控的问题，这种问题在嵌入式系统中也存在。由于单片机抗干扰能力有限，在工业现场仪器仪表中，经常因电压不稳和电弧干扰而死机。在水表、电表无人值守的情况下，系统因干扰无法重启。为了保证系统在受到干扰后能自动恢复正常，看门狗定时器的使用是非常有价值的。

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看门狗原理

在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清理看门狗（也叫喂狗），那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以，在使用有看门狗的芯片时要注意清理看门狗。

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打卡第二十四集-比较器

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单片机中的比较器，核心作用就是快速、精准地比较两路模拟电压的大小，并直接输出一个数字信号（0或1）。它就像一个反应极快的“电压裁判”，在很多实时性要求高或需要低功耗监控的场景中，扮演着不可替代的角色。

💡 核心作用

• 模拟到数字的桥梁：比较器本质上是一个“1位模数转换器（ADC）”。它能将连续的模拟信号（如电压高低）直接转换为单片机可以理解的高低电平。
• 无需CPU干预的实时监控：与需要软件循环采样和计算的ADC不同，比较器完全由硬件完成比较。一旦电压达到设定阈值，它能立即触发中断或切断PWM信号，响应速度极快。
• 低功耗守护者：许多单片机的比较器在芯片进入休眠模式时仍能独立工作。这意味着系统可以在几乎不耗电的情况下，时刻监测外部电压变化，一旦异常就唤醒主控芯片，非常适合电池供电的设备。

🚀 典型应用场景

应用场景	实现方式与作用
电池电量监测	将电池电压与参考电压比较，电压过低时输出信号，提示用户充电或触发系统自我保护。
过零检测	在电机控制或调光器中，检测交流电的零点。比较器能快速捕捉这一时刻，帮助单片机精确控制开关或调整功率，提高效率。
构建高精度ADC	配合几个电阻电容，可以利用比较器构建积分型ADC。虽然速度较慢，但分辨率可以做到很高（如12-16位），非常适合测量温度、压力等变化缓慢的信号，成本很低。
故障快速保护	在电机驱动中，若电流过大，比较器能在微秒内输出信号，直接触发硬件关断PWM输出，比软件处理快得多，能有效保护功率电路。
测量电阻/电容	将比较器与电阻、电容构成一个简单的振荡器，其频率会随传感器（如光敏电阻、电容式湿度传感器）的数值变化。单片机只需测量频率，就能换算出物理量，是一种非常巧妙的数字测量方法。

⚙️ 关键优势：为什么不用ADC？

特性	比较器	ADC
响应速度	极快（纳秒至微秒级），纯硬件触发。	较慢（微秒至毫秒级），需软件启动、等待、计算。
系统开销	几乎为零，无需CPU干预即可工作并触发动作。	较高，需CPU启动、读取结果，并执行比较逻辑。
功耗	极低，可在休眠模式下运行，功耗可低至微安级。	相对较高，工作时通常需要唤醒CPU。
典型用途	实时保护、脉冲测量、逻辑判断、事件触发。	精确测量、数据采集、音频处理等。

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打卡第二十五集-FLASH模拟EEPROM

关于 IAP 技术，做过 bootloader 的想必很熟悉 （IAP全称 In Application Programming，即应用编程），和 ISP （全称 In System Programming，即系统编程）不同，ISP 一般都是通过专业的调试器或者下载器对单片机内部的 Flash 存储器进程编程（如JTAG等），而 IAP 技术是从结构上将 Flash 储存器映射分为两个或者多个分区，在一个分区中对其他分区进行编程，这个分区通常称为 bootloader

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一、FLASH 和 EEPROM

1. 狭义 EEPROM

• 特点：按字节擦写。可以单独修改某一个字节，无需擦除整个区域。
• 寿命：约 100 万次擦写，数据保留 100 年。
• 容量：通常很小（几十 KB 到几百 KB），很少超过 512 KB。
• 成本：较高，电路复杂。
• 典型用途：存储需要频繁修改的用户配置、校准参数、运行日志等。

2. FLASH（属于广义 EEPROM）

• 特点：按块/扇区擦除（不能直接改写单个字节）。写入前必须先擦除（将块内所有位变为 1，即 0xFF），然后再编程。
• 寿命：擦写次数较少，通常 1 万～10 万次（Nor Flash 约 10 万次，Nand Flash 更少）。
• 容量：大，从几十 KB 到数 GB。
• 成本：低，集成度高。
• 典型用途：存储程序代码（固件）、大容量文件系统。

3. 关键区别表

特性	狭义 EEPROM	FLASH（Nor Flash）
擦写单位	字节（Byte）	块/扇区（512 B~ 128 KB）
改写方式	直接写新数据即可	必须先擦除块，再写入
擦写次数	100 万次	1 万～10 万次
速度	写入较慢（ms 级）	擦除慢（ms~s），写入快
成本/容量	贵、小	便宜、大

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二、没有独立 EEPROM 时，如何保存掉电数据？

现在的单片机（如 STM32、ESP32、GD32 等）通常只内置 FLASH，不再单独集成 EEPROM。但我们可以用 Flash 模拟 EEPROM 的方法，或者外接存储芯片。

✅ 方法一：使用片内 FLASH 模拟 EEPROM（最常用）

原理：

利用 FLASH 的一个扇区（或几个扇区），通过软件算法实现类似 EEPROM 的“按字节修改”效果。核心思路是：

• 写入：不直接覆盖原数据，而是将新数据追加写入到扇区中未使用的区域，旧数据标记为无效。
• 读取：扫描扇区，找到最新版本的有效数据。
• 垃圾回收：当扇区快写满时，将有效数据拷贝到另一个空闲扇区，然后擦除原扇区。

这就是著名的 “磨损均衡” + “增量存储” 技术，很多厂商提供了现成的库：

• STM32：EEPROM Emulation 库（基于 FLASH）。
• 其他 MCU：可以自行实现简易版本，或使用开源库（如 EasyFlash、FlashDB）。

优缺点：

• ✅ 不增加硬件成本。
• ✅ 可达到 10 万次以上的有效擦写寿命（通过磨损均衡）。
• ❌ 需要额外的代码和 RAM 开销。
• ❌ 写入速度比真正 EEPROM 慢（因为涉及扫描、拷贝）。

示例（伪代码思路）：

c

// 写入一个字节（或参数）
void eeprom_write(uint16_t addr, uint8_t data) {
    // 在 FLASH 中找一个空闲位置，写入 {addr, data, 校验}
    // 如果扇区满了，就触发垃圾回收
}

// 读取一个字节
uint8_t eeprom_read(uint16_t addr) {
    // 扫描整个模拟区，找到 addr 对应的最新数据
}

✅ 方法二：使用外部 EEPROM 芯片

如果对擦写寿命要求极高（如每天修改数千次），或者不想写复杂代码，可以外挂一颗 I²C/SPI 接口的 EEPROM（如 AT24Cxx 系列，容量 2Kb~512Kb）。

• 优点：简单可靠，按字节读写，寿命 100 万次。
• 缺点：增加 PCB 面积和成本。

✅ 方法三：使用 FRAM（铁电存储器）

FRAM 像 EEPROM 一样非易失，但速度更快（类似 SRAM），擦写次数近乎无限（10¹² 次以上）。常见型号：FM24C04、MB85RCxx。

• 优点：完美替代 EEPROM，无需模拟。
• 缺点：价格较贵，货源不如 EEPROM 普遍。

✅ 方法四：优化应用层设计，减少擦写次数

即使没有 EEPROM，你也可以通过软件技巧延长 FLASH 寿命：

• 数据聚合：将多次修改暂存在 RAM 中，只在掉电前或累计一定次数后写入 FLASH。
• 利用备份寄存器：部分 MCU（如 STM32）有几十字节的 后备寄存器（由 VBAT 供电），掉电后数据不丢失，可当超小 EEPROM 用。
• 使用外部 FRAM/EEPROM 如前所述。

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三、总结建议

场景	推荐方案
修改次数少（每天 < 10 次），成本敏感	FLASH 模拟 EEPROM（厂商库）
修改频繁（每小时 > 100 次），寿命要求高	外接 EEPROM 或 FRAM
需要极低功耗、简单接口	外接 I²C EEPROM
只有几个字节的参数，且 MCU 有后备寄存器	使用后备寄存器（如 STM32 的 RTC BKP）

最后提醒：如果用 FLASH 模拟 EEPROM，一定要注意掉电保护——在擦除/写入 FLASH 时若突然断电，可能导致数据损坏。常用对策：使用双扇区备份 + 写入完成标志。

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打卡第二十六集-DS18B20温度传感器（单总线）理论分析

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

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①、 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

② 、测温范围 －55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。

③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④、工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）

⑤ 、在使用中不需要任何外围元件

⑥、 测量结果以9~12位数字量方式串行传送

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主要功能

温度测量

温度报警

ROM编码

存储器

CRC 校验

精度修改

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软件层配置

单总线控制总线描述

事件序列

总线信号

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打卡第二十七集-软件模拟SPI

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

产生时钟的一侧称为主机，另一侧称为从机。同一时间只有一个主机，但是可以有多个从机。

SPI总线包括4条逻辑线，定义如下：

●MISO：Master input slave output 主机输入，从机输出（数据来自从机）；

●MOSI：Master output slave input 主机输出，从机输入（数据来自主机）；

●SCLK ：Serial Clock 串行时钟信号，由主机产生发送给从机；

●SS：Slave Select 片选信号，由主机发送，以控制与哪个从机通信，通常是低电平有效信号。

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SPI 的通信方式通常有 3 种

单主单从（一个主机设备连接一个从机设备）

互为主从（两个设备连接，设备和互为主机和从机）

单主多从（一个主机设备连接多个从机设备）

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SPI数据模式

时钟极性 （CKP/CPOL） 根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL CKOL可以配置为1或0。这意味着可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。当然具体的配置必须参考设备的数据手册正确设置

▶CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；

▶CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平 1； 时钟相位 （CKE/CPHA） 顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

▶CPHA = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；

▶CPHA = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样； ★时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

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打卡第二十八集-硬件SPI读写FLASH芯片

硬件 SPI 寄存器是单片机中用于配置、控制和监测 SPI 外设的一组内存映射寄存器。通过读写这些寄存器，你可以设置 SPI 的工作模式、波特率、数据位宽、主从模式，并触发数据传输。SPI 外设‌（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）是一种由摩托罗拉公司（Motorola）推出的‌高速、全双工、同步串行通信总线协议‌，广泛用于微控制器（MCU）与各种外围设备之间的短距离通信。

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‌SPI 的核心特点‌

• ‌同步通信‌：由主设备生成时钟信号（SCLK），所有设备按此时钟同步收发数据。
• ‌全双工‌：可同时发送和接收数据（通过 MOSI 和 MISO 两条独立数据线）。
• ‌主从架构‌：一个主设备控制一个或多个从设备；从设备通过片选信号（CS/SS）被单独选中。
• ‌高速传输‌：典型速率从 1 MHz 到超过 100 MHz，远高于 I²C 和 UART。
• ‌硬件简单‌：通常只需 4 根信号线，无复杂寻址或应答机制。

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‌SPI 的基本信号线‌

• ‌SCLK‌（Serial Clock）：主设备产生的时钟信号，同步数据传输。
• ‌MOSI‌（Master Out, Slave In）：主设备输出数据，从设备输入。
• ‌MISO‌（Master In, Slave Out）：从设备输出数据，主设备输入。
• ‌CS/SS‌（Chip Select / Slave Select）：主设备控制，低电平有效，用于选中特定从设备。

注：部分设备可省略 MISO 或 MOSI，实现三线半双工模式，但标准为四线全双工。

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‌SPI 的主要用途‌

SPI 广泛应用于嵌入式系统中连接以下外设：

• ‌存储类‌：EEPROM、Flash（如 SPI Flash）、SD 卡
• ‌传感器‌：温度、压力、加速度计、陀螺仪等
• ‌转换器‌：ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）
• ‌显示驱动‌：LCD、OLED 屏幕
• ‌通信模块‌：Wi-Fi、蓝牙模块（如 ESP8266）
• ‌其他‌：实时时钟（RTC）、数字信号处理器（DSP）、无线收发芯片等

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‌**工作模式（CPOL & CPHA）**‌

SPI 定义了 ‌4 种工作模式‌，由时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）组合决定：

模式	CPOL（空闲电平）	CPHA（采样边沿）	采样时机	移出时机
0	0（低）	0	第一跳变（上升沿）	第二跳变（下降沿）
1	0（低）	1	第二跳变（下降沿）	第一跳变（上升沿）
2	1（高）	0	第一跳变（下降沿）	第二跳变（上升沿）
3	1（高）	1	第二跳变（上升沿）	第一跳变（下降沿）

主从设备必须配置为‌相同模式‌才能正常通信，具体需参考器件数据手册。

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‌多从机连接方式‌

• ‌**独立片选（常规模式）**‌：每个从设备有独立 CS 线，主设备拉低对应 CS 即可通信。最常用，但占用较多 GPIO。
• ‌**菊花链（Daisy Chain）**‌：所有从设备 CS 接在一起，数据依次传递。节省 CS 线，但延迟增加，且要求从设备支持级联。

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‌优缺点总结‌

• ‌优点‌：
  • 传输速率高
  • 协议简单，开销小
  • 全双工，灵活性强
  • 无地址冲突（从设备无需唯一地址）
• ‌缺点‌：
  • 无内置错误校验或应答机制
  • 通信距离短（通常 < 10 cm）
  • 不支持热插拔
  • 多从机时需较多片选线（除非用菊花链或译码器）

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‌典型应用场景‌

• STM32、ESP32、树莓派 Pico 等 MCU 与传感器/存储器通信
• 嵌入式系统中高速数据采集（如 ADC 读取）
• 固件升级（通过 SPI Flash）
• 工业控制、汽车电子、物联网设备中的外设互联

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打卡第二十九集-SPI读写FLASH芯片

W25X40CL 简介

系列与型号

• 系列：串行闪存系列，灵活架构，4KB 扇区
• 型号：W25X40CL
• 容量：4M-bit / 512K-byte（524,288 字节）

存储架构

• 页大小：256 字节/页，支持页编程
• 擦除区域：统一的 4KB、32KB 和 64KB 区域，支持均匀的扇区/块擦除

接口与工作模式

• 标准 SPI：CLK, /CS, DI, DO, WP, /Hold
• 双路 SPI：CLK, /CS, IO0, IO1, WP, /Hold，支持单输出/双输出
• 连续读取模式：低指令开销，最少仅需 16 个时钟周期即可寻址内存，支持真正的 XIP（就地执行）
• 自动递增读取：支持

性能参数

• 时钟频率：最高 104MHz
• 数据传输速率：最高 208M-bits/秒（等效双路 SPI）
• 页编程时间：≤1ms（最多 256 字节）
• 擦写寿命：超过 100,000 次
• 数据保留：超过 20 年

功耗与工作条件

• 供电电压：单电源 2.3V ~ 3.6V
• 工作电流：1mA（典型值）
• 掉电电流：＜1μA（典型值）
• 工作温度范围：-40°C 至 +85°C

封装选项

• 标准封装：

  • 8-pin SOIC（150-mil / 208-mil）
  • 8-pin VSOP（150-mil）
  • 8-pin PDIP（300-mil）
  • 8-pad WSON（6×5 mm）
  • 8-pad USON（2×3 mm）

  

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打卡第三十集-软件模拟IIC上

IIC总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

IIC总线简单来说就是一根线来控制时钟(SCL)和一个线来发送数据(SDA)。两个线按照一定的传输协议来进行传输数据。由于只有一根线来读写数据，也就意味着同一时间只能有一个发送设备。（这里我们将产生时钟信号的设备称为主机，一条IIC总线同一时间只会有一个主机）

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IIC协议分析

主机在检测到总线为“空闲状态”（即 SDA、SCL 线均为高电平）时，发送一个启动信号“S”，开始一次通信的开始

主机接着发送一个命令字节。该字节由 7 位的外围器件地址和 1 位读写控制位 R/W组成（此时 R/W=0为写）

相对应的从机收到命令字节后向主机回馈应答信号 ACK（ACK=0）

主机收到从机的应答信号后开始发送第一个字节的数据

从机收到数据后返回一个应答信号 ACK

主机收到应答信号后再发送下一个数据字节

当主机发送最后一个数据字节并收到从机的 ACK 后，通过向从机发送一个停止信号P结束本次通信并释放总线。从机收到P信号后也退出与主机之间的通信

主机发送启动信号后，接着发送命令字节（其中 R/W=1）

对应的从机收到地址字节后，返回一个应答信号并向主机发送数据

主机收到数据后向从机反馈一个应答信号

从机收到应答信号后再向主机发送下一个数据

当主机完成接收数据后，向从机发送一个“非应答信号（ACK=1）”，从机收到ACK=1 的非应答信号后便停止发送

主机发送非应答信号后，再发送一个停止信号，释放总线结束通信

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1.启动信号

2.等待从机应答信号

3.终止信号

4.主机发送ACK信号

5.主机发送NO_ACK信号

6.发送一个字节

7.读取一个字节

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空闲时，SDA和SCL都是高电平。

SCL=1时，如果是传输数据，SDA电平应保持不变，这样才可以将数据发送出去。如果SDA电平发生了变化，则是启停信号。

SCL=0时，SDA上的电平允许变化，变化好了，等SCL=1，SDA电平一直保持到SCL=0，这样就可以将数据传送出去。

始信号+地址+寄存器地址+数据+应答............+应答（非应答）+停止信号

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