起因
STM32 项目里经常要用 I2C 接 EEPROM、传感器、触摸芯片这类低速从设备，但硬件 I2C 外设并不总是可用：引脚被其他功能占用了、目标引脚不在硬件 I2C 的复用表里，或者项目要在多个系列之间移植。这时就需要用普通 GPIO 手动模拟 I2C 时序，也就是常说的软件模拟 I2C。
软件模拟 I2C 移植性及稳定性更好（不依赖具体型号的外设和 DMA 配置），代价是要自己保证时序正确。
需求
- 用两个普通 GPIO（本文 PB8=SCL、PB9=SDA）模拟出标准 I2C 主机时序
- 不依赖具体芯片型号，在 F1/F4 等系列间可移植
- 能驱动 24CXX 系列 EEPROM
技术实现原理
I2C 总线是什么
I2C 英文名为 Inter-Integrated Circuit，是用于多设备通讯的两线式串行总线，分为主机 Master 和从机 Slave，通常有一个主机和多个从机，从机之间可通过地址进行区分，不同种类的设备地址不同。
两根线一根是时钟线 SCL，一根是数据线 SDA。时钟始终由主机产生，主机通过起始条件和停止条件"框住"一次传输，从机在收到每个字节后回一个应答位。
为什么必须"开漏输出 + 外部上拉"（重点）
GPIO 模拟 I2C 通信的时候，输出一定要设置为开漏输出、外部上拉。这不是可选项，而是 I2C 物理层的规定：
- 推挽输出内部有上、下两个 MOS 管，输出 1 时由上管把引脚"硬推"到电源，输出 0 时由下管拉到地；
- 开漏输出只有下管，输出 0 时拉低，输出 1 时下管关闭、引脚悬空，电平由外部上拉电阻决定。
开漏 + 上拉带来一个关键性质——线与（Wired-AND）：任何一台设备把线拉低，整根线就是低；所有设备都释放，线才是高。I2C 的三个机制都建立在它上面：
- ACK 应答：主机发完 8 位后必须"释放" SDA（输出 1 或切成输入），从机才能拉低表示应答。如果主机是推挽输出 1、从机同时拉低，就形成电源到地的短路，轻则数据错乱，重则烧毁 IO 口；
- 时钟拉伸（clock stretching）：从机来不及处理时可以把 SCL 拉低，逼主机等待。主机只有释放 SCL 后回读，才知道从机有没有拉线；
- 多主机仲裁：多主机同时抢总线时，靠线与加回读判断谁先退出。
时序规则（软件模拟要模仿的就是这几条）
- 空闲：SCL、SDA 都为高；
- 起始条件：SCL 为高期间，SDA 由高变低；
- 停止条件：SCL 为高期间，SDA 由低变高；
- 数据有效性：SCL 为低期间允许 SDA 变化，SCL 为高期间 SDA 必须保持稳定（接收方在 SCL 高电平采样）；
- 应答：每传完 8 位，第 9 个时钟由接收方控制 SDA，拉低 = ACK，保持高 = NACK，发送器收到 NACK 就不再发下一字节；
- 速率：由 SCL 频率决定，常用 100kHz（标准模式）/ 400kHz（快速模式），体现在代码里就是 delay_us 延时的长短。
2.代码实现（方式一）：推挽输出 + SDA 方向切换（F4 标准库）
2.1 I2C初始化
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Init
* 函数功能 : IIC初始化
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能 GPIOB 时钟
//GPIOB8,B9初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;
}
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//IO操作函数
#define IIC_SCL PBout(8) //SCL
#define IIC_SDA PBout(9) //SDA
#define READ_SDA PBin(9) //输入SDA
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : SDA_OUT
* 函数功能 : SDA输出配置
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void SDA_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//GPIOB9初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : SDA_IN
* 函数功能 : SDA输入配置
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void SDA_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//GPIOB9初始化设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
}
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2.2 发送IIC开始信号
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Start
* 函数功能 : 产生IIC起始信号
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT(); //sda线输出
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(5);
IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low
delay_us(6);
IIC_SCL=0;//钳住I2C总线,准备发送或接收数据
}
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2.3 发送IIC停止信号
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Stop
* 函数功能 : 产生IIC停止信号
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();//sda线输出
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
IIC_SCL=1;
delay_us(6);
IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
delay_us(6);
}
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2.4 IIC发送一个字节
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Send_Byte
* 函数功能 : IIC发送一个字节
* 输 入 : txd:发送一个字节
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
for(t=0;t<8;t++)
{
if((txd&0x80)>0) //0x80 1000 0000
IIC_SDA=1;
else
IIC_SDA=0;
txd<<=1;
delay_us(2); //对TEA5767这三个延时都是必须的
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
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2.5 IIC读取一个字节
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Read_Byte
* 函数功能 : IIC读一个字节
* 输 入 : ack=1时,发送ACK,ack=0,发送nACK
* 输 出 : 应答或非应答
*******************************************************************************/
u8 IIC_Read_Byte(u8 ack)
{
u8 i,receive=0;
SDA_IN();//SDA设置为输入
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();//发送nACK
else
IIC_Ack(); //发送ACK
return receive;
}
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2.6 IIC等待ACK信号
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Wait_Ack
* 函数功能 : 等待应答信号到来
* 输 入 : 无
* 输 出 : 1,接收应答失败
0,接收应答成功
*******************************************************************************/
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 tempTime=0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
IIC_SDA=1;
delay_us(1);
IIC_SCL=1;
delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
tempTime++;
if(tempTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;//时钟输出0
return 0;
}
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2.7 IIC发送ACK信号
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_Ack
* 函数功能 : 产生ACK应答
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(5);
IIC_SCL=0;
}
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2.8 IIC不发送ACK信号
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : IIC_NAck
* 函数功能 : 产生NACK非应答
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(5);
IIC_SCL=0;
}
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3.附：24CXX EEPROM 驱动函数
这组函数只调用上面的时序原语（Start / Send_Byte / Wait_Ack / Read_Byte / Stop），与时序的具体实现方式无关，方式一、方式二都能直接用。
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/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_Init
* 函数功能 : AT24CXX初始化
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void AT24CXX_Init(void)
{
IIC_Init();//IIC初始化
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_ReadOneByte
* 函数功能 : 在AT24CXX指定地址读出一个数据
* 输 入 : ReadAddr:开始读数的地址
* 输 出 : 读到的数据
*******************************************************************************/
u8 AT24CXX_ReadOneByte(u16 ReadAddr)
{
u8 temp=0;
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr>>8);//发送高地址
}
else
{
IIC_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
}
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(ReadAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0XA1); //进入接收模式
IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();//产生一个停止条件
return temp;
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_WriteOneByte
* 函数功能 : 在AT24CXX指定地址写入一个数据
* 输 入 : WriteAddr :写入数据的目的地址
DataToWrite:要写入的数据
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void AT24CXX_WriteOneByte(u16 WriteAddr,u8 DataToWrite)
{
IIC_Start();
if(EE_TYPE>AT24C16)
{
IIC_Send_Byte(0XA0); //发送写命令
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr>>8);//发送高地址
}
else
{
IIC_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
}
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(WriteAddr%256); //发送低地址
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(DataToWrite); //发送字节
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();//产生一个停止条件
delay_ms(10);
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_WriteLenByte
* 函数功能 : 在AT24CXX里面的指定地址开始写入长度为Len的数据
用于写入16bit或者32bit的数据
* 输 入 : WriteAddr :写入数据的目的地址
DataToWrite:要写入的数据
Len :要写入数据的长度2,4
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void AT24CXX_WriteLenByte(u16 WriteAddr,u32 DataToWrite,u8 Len)
{
u8 t;
for(t=0;t<Len;t++)
{
AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr+t,(DataToWrite>>(8*t))&0xff);
}
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_ReadLenByte
* 函数功能 : 在AT24CXX里面的指定地址开始读出长度为Len的数据
用于读出16bit或者32bit的数据
* 输 入 : ReadAddr :开始读出的地址
Len :要读出数据的长度2,4
* 输 出 : 读取的数据
*******************************************************************************/
u32 AT24CXX_ReadLenByte(u16 ReadAddr,u8 Len)
{
u8 t;
u32 temp=0;
for(t=0;t<Len;t++)
{
temp<<=8;
temp+=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr+Len-t-1);
}
return temp;
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_Check
* 函数功能 : 检查AT24CXX是否正常
* 输 入 : 无
* 输 出 : 1:检测失败,0:检测成功
*******************************************************************************/
u8 AT24CXX_Check(void)
{
u8 temp;
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);//避免每次开机都写AT24CXX
if(temp==0x36)return 0;
else//排除第一次初始化的情况
{
AT24CXX_WriteOneByte(255,0X36);
temp=AT24CXX_ReadOneByte(255);
if(temp==0X36)return 0;
}
return 1;
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_Read
* 函数功能 : 在AT24CXX里面的指定地址开始读出指定个数的数据
* 输 入 : ReadAddr :开始读出的地址 对24c02为0~255
pBuffer :数据数组首地址
NumToRead:要读出数据的个数
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void AT24CXX_Read(u16 ReadAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToRead)
{
while(NumToRead)
{
*pBuffer++=AT24CXX_ReadOneByte(ReadAddr++);
NumToRead--;
}
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : AT24CXX_Write
* 函数功能 : 在AT24CXX里面的指定地址开始写入指定个数的数据
* 输 入 : WriteAddr :开始写入的地址 对24c02为0~255
pBuffer :数据数组首地址
NumToRead:要读出数据的个数
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void AT24CXX_Write(u16 WriteAddr,u8 *pBuffer,u16 NumToWrite)
{
while(NumToWrite--)
{
AT24CXX_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
WriteAddr++;
pBuffer++;
}
}
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4.代码实现（方式二）：开漏输出（F1 标准库，规范做法）
这是另一套实现，两个 GPIO 直接配置成 GPIO_Mode_Out_OD 开漏输出，不再需要 SDA_IN/SDA_OUT 来回切方向：
- 输出 0 = 拉低总线，输出 1 = 释放总线（靠上拉电阻回高），天然满足线与；
- 释放 SDA 就是
IIC_SDA_1，从机拉低不会和主机冲突，行为更接近硬件 I2C；
- 读总线直接用
GPIO_ReadInputDataBit，开漏模式下输入电路一直可用。
这就是上文"重点"所说的规范接法。方式一的代码为什么也能跑通，见下一节对比。
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#define IIC_SCL_1 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)
/* SCL = 1 */
#define IIC_SCL_0 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6)
/* SCL = 0 */
#define IIC_SDA_1 GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)
/* SDA = 1 */
#define IIC_SDA_0 GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_7)
/* SDA = 0 */
#define IIC_READ_SDA() GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7)
/* 读SDA口线状态 */
//初始化IIC
void IIC_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD ;
//开漏输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
IIC_Stop();
}
//产生IIC起始信号
//SCL为高电平时SDA由高变低
void IIC_Start(void) {
IIC_SDA_1;
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
IIC_SDA_0;
delay_us(4);
IIC_SCL_0;
}
//产生IIC停止信号
//SCL为高电平时SDA由低变高
//IIC空闲时SCL和SDA均输出高电平,这样不会干扰其他设备的收发
void IIC_Stop(void) {
IIC_SDA_0;
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
IIC_SDA_1;
}
//等待应答信号到来
//返回值:1,接收应答失败
// 0,接收应答成功
uint8_t IIC_WaitAck(void) {
uint8_t errCount = 0;
uint8_t ack = 0;
IIC_SDA_1;
delay_us(4);
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
while(IIC_READ_SDA()) {
errCount++;
if(errCount > 250) {
ack = 1;
break;
}
}
IIC_SCL_0;
return ack;
}
//产生应答ACK
//SCL为高电平时SDA为低电平表示应答
void IIC_Ack(void) {
IIC_SDA_0;
delay_us(4);
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
IIC_SCL_0;
delay_us(4);
IIC_SDA_1;
//释放SDA
}
//产生非应答NACK
//SCL为高电平时SDA为高电平表示非应答
void IIC_NAck(void) {
IIC_SDA_1;
delay_us(4);
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
IIC_SCL_0;
delay_us(4);
}
//IIC发送一个字节
void IIC_WriteByte(uint8_t txd) {
uint8_t i;
IIC_SCL_0;
for (i = 0; i < 8; i++) {
(txd & 0x80) ? IIC_SDA_1 : IIC_SDA_0;
txd <<= 1;
delay_us(4);
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
IIC_SCL_0;
delay_us(4);
}
IIC_SDA_1;
}
//读1个字节,ack=1时,发送ACK,ack=0,发送NACK
uint8_t IIC_ReadByte(uint8_t ack) {
uint8_t i, rcv = 0;
for (i = 0; i < 8; i++) {
rcv <<= 1;
IIC_SCL_1;
delay_us(4);
if(IIC_READ_SDA()) {
rcv++;
}
IIC_SCL_0;
delay_us(4);
}
ack ? IIC_Ack() : IIC_NAck();
return rcv;
}
|
5.两种方式对比：为什么"重点"说必须开漏，方式一却是推挽
细心的读者会发现，方式一的初始化里配的是 GPIO_OType_PP（推挽），和上文"必须开漏"的说法看起来矛盾。它能工作的原因是：
- 方式一在需要从机驱动 SDA 的所有窗口（等待 ACK、读数据）之前，都先调用
SDA_IN() 把 SDA 切成了输入，主机不再驱动这根线，避开了最主要的电平竞争；
- 单主机、从机又不做时钟拉伸的场景下，SCL 由主机独占，推挽输出不会冲突。
但风险仍在：从机做时钟拉伸拉低 SCL 时，主机 SCL 推挽输出高，两边顶牛就是短路；多主机场景更不可用。所以：
|
方式一（推挽+方向切换） |
方式二（开漏+上拉） |
| GPIO 配置 |
GPIO_OType_PP，读前切输入 |
GPIO_Mode_Out_OD，方向不变 |
| 释放总线 |
切成输入 |
输出 1 |
| 时钟拉伸 |
有短路风险 |
天然支持 |
| 多主机仲裁 |
不可用 |
支持 |
| 代码量 |
需要 SDA_IN/SDA_OUT 一对函数 |
更简洁 |
结论：方式一能跑通，但新项目建议直接按方式二配置开漏输出。
6.踩坑记录与注意事项
- 上拉电阻：3.3V 系统典型 4.7kΩ，400kHz 时可减小到 2.2k~3.3kΩ；只靠内部上拉（约 40kΩ）波形上升沿太缓，高速率时不稳定；
- 延时：delay_us 的数值决定 SCL 频率，换主频、换延时函数后要重新核对（半周期 4µs 左右 ≈ 125kHz）；
- 等 ACK 前先释放 SDA：方式一里
IIC_Wait_Ack() 先 SDA_IN()，方式二里先 IIC_SDA_1，漏了这一步读到的永远是 0；
- 超时保护：
IIC_Wait_Ack() 里 tempTime>250 就 Stop 返回，防止从机异常时主程序死等；
- 24CXX 写入后要 delay_ms(10)：EEPROM 内部写周期约 5~10ms，写完立即回读会失败；
- 先确认从机地址：24CXX 是 0xA0（写）/ 0xA1（读），很多"模拟 I2C 不通"最后查出来是地址或接线错了。