IIC协议的软件模拟实现程序
项目场景：基于STM32F407实现GPIO软件模拟IIC驱动EEPROM
背景：工作中用到了EEPROM用于存储配置信息，需要对EEPROM进行读、写功能的实现。
硬件：使用的EEPROM型号为 BL24C64A-PARC，
附一下这个片子的datasheet链接：https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20161130/1480498805803.pdf
先分析一下这个存储芯片
图1-图2：介绍了这个存储芯片总工64K容量，即可以存储65536个比特位，共有256个存储页面，每页可以存65536/256=256个比特位，即256/8=32个字节。
图3：介绍了芯片的地址引脚，这个地址引脚为这个芯片的固定地址，如果只用一个芯片的话，地址可任意配置，但此地址在IIC通信中需要用到，我这边硬件直接给固定到地址为000，如果你用其他IIC设备，这个设备地址设置不要设置与000相同即可
图4：接下来就说一下这种容量较大的存储片的数据地址，之前大部分可能接触的都是容量较小的EEPROM芯片，这种小容量芯片8个地址位即可完整访问到该芯片的每个数据寄存器，但这款芯片8位的数据地址位已经不能满足要求了。计算一下：256页*32字节/页=8192个字节，2^13=8192，即二进制地址，需要13个数据位才能遍历完8192个数据地址。数据文档中也给我们做了说明。
好了，以上只是根据此款芯片的数据手册进行了关键必要信息的初步了解。相信学习IIC的同学，根据各种资料已经明白IIC的SDA和SCL引脚的时序要求及表达各类信号的信号时序。下面开始根据IIC总线的要求进行编程。我要实现的是软件模拟IIC的功能，废话不多说，直接干代码
@gpio_iic.h文件
#include "gpio_iic.h"
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Delay
* 功能说明: I2C总线位延迟，最快400KHz
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void i2c_Delay(void)
{
uint8_t i;
/*
可用逻辑分析仪测量I2C通讯时的频率
工作条件：CPU主频168MHz ，MDK编译环境，1级优化
经测试，循环次数为20~250时都能通讯正常
*/
for (i = 0; i < 40; i++);
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Start
* 功能说明: CPU发起I2C总线启动信号
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Start(void)
{
/* 当SCL高电平时，SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号 */
EEPROM_I2C_SDA_1();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Start
* 功能说明: CPU发起I2C总线停止信号
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Stop(void)
{
/* 当SCL高电平时，SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号 */
EEPROM_I2C_SDA_0();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_SendByte
* 功能说明: CPU向I2C总线设备发送8bit数据
* 形 参：_ucByte ： 等待发送的字节
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
uint8_t i;
/* 先发送字节的高位bit7 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (_ucByte & 0x80)
{
EEPROM_I2C_SDA_1();
}
else
{
EEPROM_I2C_SDA_0();
}
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
if (i == 7)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); // 释放总线
}
_ucByte <<= 1; /* 左移一个bit */
i2c_Delay();
}
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_ReadByte
* 功能说明: CPU从I2C总线设备读取8bit数据
* 形 参：无
* 返 回 值: 读到的数据
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_ReadByte(void)
{
uint8_t i;
uint8_t value;
/* 读到第1个bit为数据的bit7 */
value = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
value <<= 1;
EEPROM_I2C_SCL_1();
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ())
{
value++;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
return value;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_WaitAck
* 功能说明: CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
* 形 参：无
* 返 回 值: 返回0表示正确应答，1表示无器件响应
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
uint8_t re;
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU驱动SCL = 1, 此时器件会返回ACK应答 */
i2c_Delay();
if (EEPROM_I2C_SDA_READ()) /* CPU读取SDA口线状态 */
{
re = 1;
}
else
{
re = 0;
}
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
return re;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_Ack
* 功能说明: CPU产生一个ACK信号
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_Ack(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_0(); /* CPU驱动SDA = 0 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU释放SDA总线 */
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_NAck
* 功能说明: CPU产生1个NACK信号
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_NAck(void)
{
EEPROM_I2C_SDA_1(); /* CPU驱动SDA = 1 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_1(); /* CPU产生1个时钟 */
i2c_Delay();
EEPROM_I2C_SCL_0();
i2c_Delay();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_CfgGpio
* 功能说明: 配置I2C总线的GPIO，采用模拟IO的方式实现
* 形 参：无
* 返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void i2c_CfgGpio(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(EEPROM_I2C_GPIO_CLK, ENABLE); /* 打开GPIO时钟 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = EEPROM_I2C_SCL_PIN | EEPROM_I2C_SDA_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_OD; /* 开漏输出 */
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(EEPROM_I2C_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
/* 给一个停止信号, 复位I2C总线上的所有设备到待机模式 */
i2c_Stop();
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: i2c_CheckDevice
* 功能说明: 检测I2C总线设备，CPU向发送设备地址，然后读取设备应答来判断该设备是否存在
* 形 参：_Address：设备的I2C总线地址
* 返 回 值: 返回值 0 表示正确， 返回1表示未探测到
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address)
{
uint8_t ucAck;
i2c_CfgGpio(); /* 配置GPIO */
i2c_Start(); /* 发送启动信号 */
/* 发送设备地址+读写控制bit（0 = w， 1 = r) bit7 先传 */
i2c_SendByte(_Address | EEPROM_I2C_WR);
ucAck = i2c_WaitAck(); /* 检测设备的ACK应答 */
i2c_Stop(); /* 发送停止信号 */
return ucAck;
}
@gpio_iic.h文件
#ifndef _BSP_I2C_GPIO_H
#define _BSP_I2C_GPIO_H
#include "stm32f4xx.h"
#include 以上，我们完成了最基本的用GPIO引脚模拟IIC的每个信号的代码以及引脚输入输出的相关宏定义。我用的是STM32F407ZGT6的PB6和PB7引脚，分别作为IIC的SCL和SDA引脚（硬件），可根据实实际引脚进行修改，上面还有我一个其他外设使用的IIC设备，LNB开头命名的，大家可以忽略。
下面根据芯片的IIC时序要求，来实际完成通过软件IIC读写芯片的程序。
如下图所示，介绍了此存储芯片进行读写操作的的IIC时序。
Figure7：介绍的是按页写数据，首先是主机发送start起始信号，然后主机发送设备地址（注意读写位置位，读1，写0）。等待从设备应答，收到应答信号，发送数据寄存器的第一个地址，收到应答，发送数据寄存器第二个地址，再次收到应答后，直接一个字节一个字节的去发送数据，数据发送完成，给一个停止信号，表示数据写操作完成。
Figure9和Figure10：表示从芯片读取数据时的IIC时序。Figure9是读取随机的数据寄存器中的数据；Figure10是读取连续数据寄存器地址中的数据。
有了以上数据手册给出的时序，我们只需要根据上面已经写好的信号去封装相应的读写函数即可，代码的每一步基本都做了注释，根据时序来阅读一下代码，很容易理解的。
@soft_iic.c文件
#include "soft_iic.h"
#include "gpio_iic.h"
#include "usart.h"
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: ee_CheckOk
* 功能说明: 判断串行EERPOM是否正常
* 形 参：无
* 返 回 值: 1 表示正常， 0 表示不正常
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_CheckOk(void)
{
if (i2c_CheckDevice(EEPROM_DEV_ADDR) == 0)
{
return 1;
}
else
{
/* 失败后，切记发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: ee_ReadBytes
* 功能说明: 从串行EEPROM指定地址处开始读取若干数据
* 形 参：_usAddress : 起始地址
* _usSize : 数据长度，单位为字节
* _pReadBuf : 存放读到的数据的缓冲区指针
* 返 回 值: 0 表示失败，1表示成功
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_ReadBytes(char *_pReadBuf, uint8_t _usAddress1,uint8_t _usAddress2, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i;
/* 采用串行EEPROM随即读取指令序列，连续读取若干字节 */
/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
i2c_Start();
/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR); /* 此处是写指令 */
/* 第3步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第4步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress1);
/* 第5步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第6步：发送字节地址，24C02只有256字节，因此1个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)_usAddress2);
/* 第7步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第8步：重新启动I2C总线。前面的代码的目的向EEPROM传送地址，下面开始读取数据 */
i2c_Start();
/* 第9步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_RD); /* 此处是读指令 */
/* 第10步：发送ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第9步：循环读取数据 */
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
_pReadBuf[i] = i2c_ReadByte(); /* 读1个字节 */
/* 每读完1个字节后，需要发送Ack， 最后一个字节不需要Ack，发Nack */
if (i != _usSize - 1)
{
i2c_Ack(); /* 中间字节读完后，CPU产生ACK信号(驱动SDA = 0) */
}
else
{
i2c_NAck(); /* 最后1个字节读完后，CPU产生NACK信号(驱动SDA = 1) */
}
}
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 1; /* 执行成功 */
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函 数 名: ee_WriteBytes
* 功能说明: 向串行EEPROM指定地址写入若干数据，采用页写操作提高写入效率
* 形 参：_usAddress1 : 起始高字节地址
_usAddress2 : 起始低字节地址
* _usSize : 数据长度，单位为字节
* _pWriteBuf : 存放读到的数据的缓冲区指针
* 返 回 值: 0 表示失败，1表示成功
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t ee_WriteBytes(char *_pWriteBuf, uint8_t _usAddress1,uint8_t _usAddress2, uint16_t _usSize)
{
uint16_t i,m;
uint8_t usAddr1,usAddr2;
/*
写串行EEPROM不像读操作可以连续读取很多字节，每次写操作只能在同一个page。
对于24xx02，page size = 32
简单的处理方法为：按字节写操作模式，没写1个字节，都发送地址
为了提高连续写的效率: 本函数采用page wirte操作。
*/
usAddr1 = _usAddress1;
usAddr2 = _usAddress2;
for (i = 0; i < _usSize; i++)
{
/* 当发送第1个字节或是页面首地址时，需要重新发起启动信号和地址 */
if ((i == 0) || (usAddr2 & (EEPROM_PAGE_SIZE - 1)) == 0)
{
/* 第０步：发停止信号，启动内部写操作 */
i2c_Stop();
/* 通过检查器件应答的方式，判断内部写操作是否完成, 一般小于 10ms
CLK频率为200KHz时，查询次数为30次左右
*/
for (m = 0; m < 1000; m++)
{
/* 第1步：发起I2C总线启动信号 */
i2c_Start();
/* 第2步：发起控制字节，高7bit是地址，bit0是读写控制位，0表示写，1表示读 */
i2c_SendByte(EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_I2C_WR); /* 此处是写指令 */
/* 第3步：发送一个时钟，判断器件是否正确应答 */
if (i2c_WaitAck() == 0)
{
break;
}
}
if (m == 1000)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件写超时 */
}
/* 第4步：发送字节地址，24C02只有8192字节，因此2个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)usAddr1);
/* 第5步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
/* 第6步：发送字节地址，24C02只有8192字节，因此2个字节就够了，如果是24C04以上，那么此处需要连发多个地址 */
i2c_SendByte((uint8_t)usAddr2);
/* 第7步：等待ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
}
/* 第6步：开始写入数据 */
i2c_SendByte(_pWriteBuf[i]);
/* 第7步：发送ACK */
if (i2c_WaitAck() != 0)
{
goto cmd_fail; /* EEPROM器件无应答 */
}
usAddr2++; /* 地址增1 */
}
/* 命令执行成功，发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 1;
cmd_fail: /* 命令执行失败后，切记发送停止信号，避免影响I2C总线上其他设备 */
/* 发送I2C总线停止信号 */
i2c_Stop();
return 0;
}
void ee_Erase(void)
{
uint16_t i;
char buf[EEPROM_SIZE];
/* 填充缓冲区 */
for (i = 0; i < EEPROM_SIZE; i++)
{
buf[i] = 0xFF;
}
/* 写EEPROM, 起始地址 = 0，数据长度为 256 */
if (ee_WriteBytes(buf, 0,0, EEPROM_SIZE) == 0)
{
printf("擦除eeprom出错！\r\n");
return;
}
else
{
printf("擦除eeprom成功！\r\n");
}
}
void lnb_Erase(void)
{
uint16_t i;
uint8_t buf[LNB_SIZE];
/* 填充缓冲区 */
for (i = 0; i < LNB_SIZE; i++)
{
buf[i] = 0xFF;
}
/* 写EEPROM, 起始地址 = 0，数据长度为 256 */
if (lnb_WriteBytes(buf, 0, LNB_SIZE) == 0)
{
printf("擦除eeprom出错！\r\n");
return;
}
else
{
printf("擦除eeprom成功！\r\n");
}
}
/*--------------------------------------------------------------------------------------------------*/
static void ee_Delay(__IO uint32_t nCount) //简单的延时函数
{
for(; nCount != 0; nCount--);
}
@soft_iic.h文件
#ifndef __I2C_EE_H
#define __I2C_EE_H
#include "stm32f4xx.h"
/*
* BL24C02 2kb = 2048bit = 2048/8 B = 256 B
* 256 pages of 32 bytes each
*
* Device Address
* 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
* 1 0 1 0 0 0 0 0 = 0XA0
* 1 0 1 0 0 0 0 1 = 0XA1
*/
/* AT24C01/02每页有8个字节
* AT24C04/08A/16A每页有16个字节
*/
#define EEPROM_DEV_ADDR 0xA0 /* 24xx02的设备地址 */
#define EEPROM_PAGE_SIZE 32 /* 24xx02的页面大小 */
#define EEPROM_SIZE 8192 /* 24xx02总容量 */
#define LNB_DEV_ADDR 0x12 /* lnb的设备地址 */
#define LNB_PAGE_SIZE 1 /* lnb的页面大小 */
#define LNB_SIZE 6 /* lnb总容量 */
static void ee_Delay(__IO uint32_t nCount);
uint8_t ee_CheckOk(void);
uint8_t lnb_CheckOk(void);
uint8_t ee_ReadBytes(char *_pReadBuf, uint8_t _usAddress1,uint8_t _usAddress2, uint16_t _usSize);
uint8_t lnb_ReadBytes(uint8_t *_pReadBuf, uint8_t _usAddress, uint16_t _usSize);
uint8_t ee_WriteBytes(char *_pWriteBuf, uint8_t _usAddress1,uint8_t _usAddress2, uint16_t _usSize);
uint8_t lnb_WriteBytes(uint8_t *_pWriteBuf, uint8_t _usAddress, uint16_t _usSize);
void ee_Erase(void);
void lnb_Erase(void);
uint8_t ee_Test(void);
uint8_t lnb_Test(void);
void LNB_Delay(__IO uint32_t nCount);
#endif /* __I2C_EE_H */
在这里特别说明一下芯片的设备地址：
数据手册给出了设备地址：从高位到低位=0b 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
其中，前面已经介绍过了，我给A2、A1、A0在硬件上拉低为0了，硬件设计相关；
所以设备地址前七位就是0b1010000+R/W位。而R/W位即前面说的读写位，读是1，写是0。
所以在进行读操作时，设备地址是0b10100001，即0xA1。
写操作时，设备地址是0b10100000，即0xA0。
- Device Address(设备地址)
- 1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W
- 1 0 1 0 0 0 0 0 = 0XA0
- 1 0 1 0 0 0 0 1 = 0XA1
/***********************END OF FILE/
结尾：
基本上，IIC是一个标准的通信协议，一般可以直接应用上述代码。但像数据寄存器地址位只有8位的，就需要改一下上面的数据寄存器地址部分。同时，也要根据外设的实际时序去做相应修改，有的IIC设备在读写数据的应答信号处，可能略有区别，相信大家沉心静气的研究完IIC协议后，能够很好的应用这个通信协议。
还有，其实单片机的硬件IIC外设也是比较简单的，可能有如网上说的一些不稳定有问题的情况，但应付普通使用环境下，还是基本没问题的。可以使用HAL库驱动IIC硬件外设，这个版本好像很稳定。
感谢阅读，有参考野火哥的代码教程，在这里感谢一下野火哥！