1.1 前言

在使用I2C通信時，一般會用到軟件模擬I2C。目前網絡上能搜索到的軟件模擬I2C一般都是模擬I2C主機，很少有模擬I2C從機的例程。由于I2C主機在進行數據收發時，有明確的可預見性，也就是主機明確知道什么時候要進行數據的收發操作，而且I2C的同步時鐘信號也是由主機產生的，所以實現起來相對來說比較簡單。而I2C從機的通信受制于主機，即什么時候需要進行數據的收發都是由主機發起的，數據收發的發起時機具有隨機性，所以實現方法不能參照軟件模擬I2C主機那樣使用單純的軟件查詢狀態的方法。由于實際使用時，MCU的固件還會執行其他的操作，所以如果單純使用軟件查詢的方法來判斷I2C通信的起始信號不太現實。這里提供一種軟件模擬I2C從機的實現方法，考慮使用GPIO中斷的方法來及時接收I2C通信的起始信號，并進行數據的收發。

1.2 測試平臺

這里使用的開發環境和相關硬件如下。

• 操作系統：Ubuntu 20.04.2 LTS x86_64（使用uname -a命令查看）
• 集成開發環境（IDE）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，Version: 2021-06 (4.20.0)
• 硬件開發板：STM32F429I-DISCO
• 本文對應的例程代碼鏈接如下。

https://download.csdn.net/download/goodrenze/85272480

1.3 軟件模擬I2C從機實現方法

這里結合開發板STM32F429I-DISCO上的STM32F429ZI的單片機來演示軟件模擬I2C從機的實現方法。

I2C通信的時序圖如下圖1所示。

圖1 I2C通信時序圖

I2C通信的時序中關鍵的幾個點如下。

1）START和ReSTART信號：用于標識I2C通信的開始，時序特點是SCL為高電平的時候，SDA從高電平變成低電平。

2）STOP信號：用于標識I2C通信的結束，時序特點是SCL為高電平的時候，SDA從低電平變成高電平。

3）應答信號：I2C通信每傳輸完8個比特的數據位后，緊接著需要傳輸應答標志位，當該位為0時，是ACK應答信號，該位為1時，是NACK無應答信號。應答信號在SCL的第9個時鐘周期的位置。

4）數據采集時刻：I2C通信的數據在SCL的上升沿進行采集確認，所以在SCL的高電平期間，數據必須保持不變，防止數據采集出錯。當然，START信號和STOP信號的時序在SCL高電平期間是特殊情況，具有專門的含義。

5）數據更新時刻：I2C通信的數據更新需要在SCL為低電平的時候進行。

通過以上幾個關鍵點，軟件模擬I2C從機的基本思路就有了。由于各個關鍵點基本都發生在SCL或SDA的上升沿或者下降沿的地方，所以可以將用于模擬I2C通信引腳的GPIO口配置成邊沿中斷，這樣就可以通過中斷實時抓取邊沿信號，并在中斷中進行及時的數據處理。使用GPIO的邊沿中斷來模擬I2C從機的好處是可以實時獲取到START和STOP信號，I2C主機發過來的數據可以通過中斷得到及時處理，而且程序主流程無需關心模擬I2C從機的相關處理，可以處理其他事務。

因為是I2C從機，所以SCL引腳直接固定成輸入引腳即可，而SDA信號由于是雙向的，所以需要根據I2C通信中的各個狀態來設置輸入或輸出方向。另外，由于GPIO中斷只在GPIO配置成輸入時才會產生，所以默認情況下，SDA必須設置成輸入引腳。

程序的具體設計思路如下。

1）將SCL和SDA引腳設置成GPIO的邊沿中斷模式，默認為輸入引腳。I2C通信狀態機設置成默認的IDLE狀態。SCL的中斷用于處理數據的收發，SDA的中斷只用于START/ReSTART/STOP這些特殊信號的判斷。

2）SDA引腳中斷處理思路：發生下降沿中斷，并且SCL為高電平，則收到START信號，狀態機更新成START狀態；發生上升沿中斷，并且SCL為高電平，則收到STOP信號，緊接著I2C通信就應該處于空閑狀態，所以這里直接將狀態機設置成IDLE狀態。

3）SCL引腳中斷處理思路：

A. 發生下降沿中斷時

A1. 如果狀態機為START狀態，則I2C通信正式開始，準備開始接收設備地址，狀態機更新成DATA狀態。

A2. 如果狀態機為DATA狀態，SCL下降沿計數小于8時，如果是主機讀取數據，則更新SDA的位數據輸出。SCL下降沿計數等于8時，進入應答階段，狀態機更新成ACK狀態；如果是主機寫入數據，并且是設備地址數據，則判斷設備地址是否匹配，如果設備地址匹配，則將SDA設置成輸出，并輸出ACK信號，否則如果地址不匹配，則SDA保持為輸入狀態，不輸出ACK信號；如果是主機讀取數據，將SDA設置成輸入，準備接收主機的應答信號。

A3. 如果狀態機為ACK狀態，這時應答信號已經傳輸完畢，狀態機更新成DATA狀態，準備繼續接收或發送數據。如果是主機寫入數據，將SDA設置成輸入，繼續接收后續數據；如果是主機讀取數據，將SDA設置成輸出，繼續發送后續數據。

A4. 如果狀態機為NACK狀態，說明緊接著I2C通信將停止或重新啟動，準備接收STOP或者ReSTART信號，所以需要將SDA設置成輸入。此時狀態機狀態保持不變。

B. 發生上升沿中斷時

B1. 如果狀態機為DATA狀態，I2C通信處于數據階段，如果是主機寫入數據，則采集主機通過SDA發送過來的位數據。

B2. 如果狀態機為ACK狀態，I2C通信處于應答階段，如果是主機讀取數據，則采集主機的應答信號，如果主機應答信號為1，說明主機發送了NACK的應答，狀態機需要更新成NACK狀態，準備接收停止或重新啟動信號。

1.4 軟件模擬I2C從機的代碼實現

根據上面的程序思路，可以開始進行程序代碼的設計，步驟如下。

1）設計I2C從機通信對應的結構體，I2C通信狀態定義，I2C通信相關的宏定義的聲明。部分代碼如下。

// ...
#define SW_SLAVE_ADDR      0xA2


#define SW_SLAVE_SCL_CLK_EN()  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define SW_SLAVE_SDA_CLK_EN()  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()


#define SW_SLAVE_SCL_PRT    GPIOB
#define SW_SLAVE_SCL_PIN    GPIO_PIN_6
#define SW_SLAVE_SDA_PRT    GPIOB
#define SW_SLAVE_SDA_PIN    GPIO_PIN_7


#define GPIO_MODE_MSK           0x00000003U


#define I2C_STA_IDLE      0
#define I2C_STA_START      1
#define I2C_STA_DATA      2
#define I2C_STA_ACK        3
#define I2C_STA_NACK      4
#define I2C_STA_STOP      5


#define I2C_READ        1
#define I2C_WRITE        0


#define GPIO_DIR_IN        0
#define GPIO_DIR_OUT      1
// ...
typedef struct _SwSlaveI2C_t
{
  uint8_t State;          // I2C通信狀態
  uint8_t Rw;            // I2C讀寫標志：0-寫，1-讀
  uint8_t SclFallCnt;        // SCL下降沿計數
  uint8_t Flag;          // I2C狀態標志，BIT0：0-地址無效，1-地址匹配
  uint32_t StartMs;        // I2C通信起始時間，單位ms，用于判斷通信是否超時
  uint8_t* RxBuf;          // 指向接收緩沖區的指針
  uint8_t* TxBuf;          // 指向發送緩沖區的指針
  uint8_t RxIdx;          // 接收緩沖區數據寫入索引，最大值255
  uint8_t TxIdx;          // 發送緩沖區數據讀取索引，最大值255
}SwSlaveI2C_t;


extern SwSlaveI2C_t SwSlaveI2C;
// ...

2）I2C通信引腳SCL/SDA對應的GPIO的初始化。這里使用PB6/PB7引腳。代碼如下。

void InitSwSlaveI2C(void)
{
  GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStructure;


  /* Enable I2C GPIO clock */
  SW_SLAVE_SCL_CLK_EN();
  SW_SLAVE_SDA_CLK_EN();


  /* Configure SCL GPIO pin */
  GPIO_InitStructure.Pin       = SW_SLAVE_SCL_PIN;
  GPIO_InitStructure.Mode      = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStructure.Pull      = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStructure.Speed     = GPIO_SPEED_FAST;
  HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SCL_PRT, &GPIO_InitStructure);


  /* Configure SDA GPIO pin */
  GPIO_InitStructure.Pin       = SW_SLAVE_SDA_PIN;
  HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SDA_PRT, &GPIO_InitStructure);


  /* Configure SCL GPIO pin as input interruption with pull up */
  GPIO_InitStructure.Pin       = SW_SLAVE_SCL_PIN;
  GPIO_InitStructure.Mode      = GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING;
  HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SCL_PRT, &GPIO_InitStructure);


  /* Configure SDA GPIO pin as input interruption with pull up */
  GPIO_InitStructure.Pin       = SW_SLAVE_SDA_PIN;
  HAL_GPIO_Init(SW_SLAVE_SDA_PRT, &GPIO_InitStructure);


  /* Enable and set EXTI Line9_5 Interrupt to the highest priority */
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);
}

3）由于SCL/SDA引腳被設置成中斷引腳，需要實現GPIO的中斷處理函數。中斷處理函數中已經包含了軟件模擬I2C從機的所有功能。代碼如下。

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
  I2cGpioIsr();
}


void I2cGpioIsr(void)
{
  uint32_t temp;


  // 處理SCL的上下沿中斷
  if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN) != RESET)
  {
    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN);
    // 更新通信起始時間
    SwSlaveI2C.StartMs = HAL_GetTick();
    // SCL的下降沿事件處理，此時需要更新要傳輸的數據
    if((SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN) == (uint32_t)GPIO_PIN_RESET)
    {
      switch(SwSlaveI2C.State)
      {
        case I2C_STA_START:    // 起始信號的下降沿，初始化相關參數并轉到接收比特數據狀態
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          SwSlaveI2C.RxIdx = 0;
          SwSlaveI2C.TxIdx = 0;
          SwSlaveI2C.Flag = 0;  // 默認地址不匹配
          SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] = 0;
          SwSlaveI2C.Rw = I2C_WRITE;  // 第1字節為設備地址，一定是寫入
          SwSlaveI2C.State = I2C_STA_DATA;
          break;
        case I2C_STA_DATA:
          SwSlaveI2C.SclFallCnt++;
          if(8 > SwSlaveI2C.SclFallCnt)
          {
            // 如果是主機讀取數據，則在SCL低電平時更新比特數據
            if(SwSlaveI2C.Rw == I2C_READ)
            {
              if(SwSlaveI2C.TxBuf[SwSlaveI2C.TxIdx] & (1 << (7 - SwSlaveI2C.SclFallCnt)))
              {
                SET_SDA_PIN();
              }
              else
              {
                CLR_SDA_PIN();
              }
            }
          }
          else if(8 == SwSlaveI2C.SclFallCnt)
          {
            if(SwSlaveI2C.Rw == I2C_WRITE)
            {
              // 從第一個地址字節中獲取讀寫標志位，并判斷地址是否匹配
              if(SwSlaveI2C.RxIdx == 0)
              {
                if((SwSlaveI2C.RxBuf[0] & 0xFE) == SW_SLAVE_ADDR)
                {
                  SwSlaveI2C.Flag = 1;  // 地址匹配
                  SwSlaveI2C.Rw = SwSlaveI2C.RxBuf[0] & 0x01;
                }
              }
              if(SwSlaveI2C.Flag)
              {
                // 如果是主機寫入數據，且地址匹配，則接收完8比特數據后，需要發送ACK信號進行應答
                SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_OUT);
                CLR_SDA_PIN();
              }
            }
            else
            {
              // 如果是主機讀取數據，需要將SDA設置成輸入以便判斷應答標志位狀態
              SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
              // 如果是主機讀取數據，準備發送下一個字節的數據
              SwSlaveI2C.TxIdx++;
            }
            // 接收或發送完8比特數據后，準備發送或接收應答信號
            SwSlaveI2C.State = I2C_STA_ACK;
          }
          break;
        case I2C_STA_ACK:
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          if(SwSlaveI2C.Rw == I2C_WRITE)
          {
            // 如果是主機寫入數據，且ACK發送完畢，則SDA設置成輸入，繼續接收數據
            SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
            SwSlaveI2C.RxIdx++;
            SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] = 0;
          }
          else
          {
            // 如果是主機讀取數據，且ACK接收完畢，則SDA設置成輸出，繼續發送數據
            SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_OUT);
            if(SwSlaveI2C.TxBuf[SwSlaveI2C.TxIdx] & 0x80)
            {
              SET_SDA_PIN();
            }
            else
            {
              CLR_SDA_PIN();
            }
          }
          SwSlaveI2C.State = I2C_STA_DATA;
          break;
        case I2C_STA_NACK:    // 如果收到了NACK，則后面將是STOP或者ReSTART信號，需要將SDA設置成輸入
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
          break;
      }
    }
    // SCL的上升沿事件處理，此時需要采集數據，而且在數據階段，SCL高電平時數據必須保持不變
    else
    {
      switch(SwSlaveI2C.State)
      {
        case I2C_STA_DATA:  // 數據階段，如果是主機寫入數據，則采集比特數據
          if((I2C_WRITE == SwSlaveI2C.Rw) && (8 > SwSlaveI2C.SclFallCnt))
          {
            if(SW_SLAVE_SDA_PRT->IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN)
            {
              SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] |= (1 << (7 - SwSlaveI2C.SclFallCnt));
            }
          }
          break;
        case I2C_STA_ACK:  // 應答階段，如果是主機讀取數據，則判斷ACK/NACK信號，默認狀態是ACK
          if((SwSlaveI2C.Rw == I2C_READ) && (SW_SLAVE_SDA_PRT->IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN))
          {
            SwSlaveI2C.State = I2C_STA_NACK;
          }
          break;
      }
    }
  }
  else if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(SW_SLAVE_SDA_PIN) != RESET)
  {
    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(SW_SLAVE_SDA_PIN);
    if((SW_SLAVE_SDA_PRT->IDR & SW_SLAVE_SDA_PIN) == (uint32_t)GPIO_PIN_RESET)
    {
      // SCL為高電平時，SDA從高變低，說明是起始信號
      if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN)
      {
        SwSlaveI2C.State = I2C_STA_START;
      }
    }
    else
    {
      // SCL為高電平時，SDA從低變高，說明是停止信號，一次I2C通信結束，直接將狀態設置成空閑
      if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN)
      {
        SwSlaveI2C.State = I2C_STA_IDLE;
      }
    }
  }
}

4）為了確保模擬I2C從機通信的可靠性，額外設計了I2C通信超時處理函數。在I2C通信進行的過程中，如果通信出現了中斷，則通過超時判斷來重置I2C從機狀態，確保出現通信異常時可以從異常狀態中自動恢復。該函數需要在主流程中調用。代碼如下。

void CheckSwSlaveI2cTimeout(void)
{
  uint32_t TimeMs, TimeCurMs;


  if(SwSlaveI2C.State != I2C_STA_IDLE)
  {
    TimeCurMs = HAL_GetTick();
    if(TimeCurMs >= SwSlaveI2C.StartMs)
    {
      TimeMs = TimeCurMs - SwSlaveI2C.StartMs;
    }
    else
    {
      TimeMs = ~(SwSlaveI2C.StartMs - TimeCurMs) + 1;
    }
    if(500 <= TimeMs)
    {
      // I2C通信超時的話，重置狀態機，并把SDA設置成輸入
      SwSlaveI2C.State = I2C_STA_IDLE;
      SET_SDA_DIR(TimeMs, GPIO_DIR_IN);
    }
  }
}

5）軟件模擬I2C從機相關功能驗證代碼。這里需要借助STM32的另外一個I2C主機進行配合測試。這里將PF0/PF1對應的引腳配置成I2C主機，主機直接使用STM32的硬件I2C實現。PF0/PF1分別和PB7/PB6連接，然后驗證數據收發的正確性。具體代碼參見上面的工程鏈接。這里只展示最終的測試結果數據。如下圖所示。

軟件模擬I2C從機狀態

I2C主機發送數據

軟件模擬I2C從機接收數據

圖2 軟件模擬I2C從機數據接收驗證結果

軟件模擬I2C從機狀態

軟件模擬I2C從機發送數據

I2C主機接收數據

圖3 軟件模擬I2C從機數據發送驗證結果

1.5 軟件模擬I2C從機的注意事項

本例程中，對于400kbps速率的I2C通信，在進行代碼編譯鏈接時，需要使用-Ofast的優化方式，以提高中斷處理函數的執行速度，使程序能正確執行。如果使用默認的無優化配置，會造成程序無法正確運行。

對于主頻比較低的MCU，使用這里提供的軟件模擬I2C從機進行I2C通信時，建議使用100kpbs以下的通信速率，并且注意使用可以提高代碼執行速度的代碼優化配置。

另外，建議將用于模擬SDA/SCL的GPIO引腳中斷優先級設置成最高，以便能及時響應I2C通信時序的中斷。