软件模拟I2C从机的实现方法及注意事项

1.1 前言

在使用I2C通信时，一般会用到软件模拟I2C。目前网络上能搜索到的软件模拟I2C一般都是模拟I2C主机，很少有模拟I2C从机的例程。由于I2C主机在进行数据收发时，有明确的可预见性，也就是主机明确知道什么时候要进行数据的收发操作，而且I2C的同步时钟信号也是由主机产生的，所以实现起来相对来说比较简单。而I2C从机的通信受制于主机，即什么时候需要进行数据的收发都是由主机发起的，数据收发的发起时机具有随机性，所以实现方法不能参照软件模拟I2C主机那样使用单纯的软件查询状态的方法。由于实际使用时，MCU的固件还会执行其他的操作，所以如果单纯使用软件查询的方法来判断I2C通信的起始信号不太现实。这里提供一种软件模拟I2C从机的实现方法，考虑使用GPIO中断的方法来及时接收I2C通信的起始信号，并进行数据的收发。

1.2 测试平台

这里使用的开发环境和相关硬件如下。

• 操作系统：Ubuntu 20.04.2 LTS x86_64（使用uname -a命令查看）
• 集成开发环境（IDE）：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers，Version: 2021-06 (4.20.0)
• 硬件开发板：STM32F429I-DISCO
• 本文对应的例程代码链接如下。

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

1.3 软件模拟I2C从机实现方法

这里结合开发板STM32F429I-DISCO上的STM32F429ZI的单片机来演示软件模拟I2C从机的实现方法。

I2C通信的时序图如下图1所示。

图1 I2C通信时序图

I2C通信的时序中关键的几个点如下。

1）START和ReSTART信号：用于标识I2C通信的开始，时序特点是SCL为高电平的时候，SDA从高电平变成低电平。

2）STOP信号：用于标识I2C通信的结束，时序特点是SCL为高电平的时候，SDA从低电平变成高电平。

3）应答信号：I2C通信每传输完8个比特的数据位后，紧接着需要传输应答标志位，当该位为0时，是ACK应答信号，该位为1时，是NACK无应答信号。应答信号在SCL的第9个时钟周期的位置。

4）数据采集时刻：I2C通信的数据在SCL的上升沿进行采集确认，所以在SCL的高电平期间，数据必须保持不变，防止数据采集出错。当然，START信号和STOP信号的时序在SCL高电平期间是特殊情况，具有专门的含义。

5）数据更新时刻：I2C通信的数据更新需要在SCL为低电平的时候进行。

通过以上几个关键点，软件模拟I2C从机的基本思路就有了。由于各个关键点基本都发生在SCL或SDA的上升沿或者下降沿的地方，所以可以将用于模拟I2C通信引脚的GPIO口配置成边沿中断，这样就可以通过中断实时抓取边沿信号，并在中断中进行及时的数据处理。使用GPIO的边沿中断来模拟I2C从机的好处是可以实时获取到START和STOP信号，I2C主机发过来的数据可以通过中断得到及时处理，而且程序主流程无需关心模拟I2C从机的相关处理，可以处理其他事务。

因为是I2C从机，所以SCL引脚直接固定成输入引脚即可，而SDA信号由于是双向的，所以需要根据I2C通信中的各个状态来设置输入或输出方向。另外，由于GPIO中断只在GPIO配置成输入时才会产生，所以默认情况下，SDA必须设置成输入引脚。

程序的具体设计思路如下。

1）将SCL和SDA引脚设置成GPIO的边沿中断模式，默认为输入引脚。I2C通信状态机设置成默认的IDLE状态。SCL的中断用于处理数据的收发，SDA的中断只用于START/ReSTART/STOP这些特殊信号的判断。

2）SDA引脚中断处理思路：发生下降沿中断，并且SCL为高电平，则收到START信号，状态机更新成START状态；发生上升沿中断，并且SCL为高电平，则收到STOP信号，紧接着I2C通信就应该处于空闲状态，所以这里直接将状态机设置成IDLE状态。

3）SCL引脚中断处理思路：

A. 发生下降沿中断时

A1. 如果状态机为START状态，则I2C通信正式开始，准备开始接收设备地址，状态机更新成DATA状态。

A2. 如果状态机为DATA状态，SCL下降沿计数小于8时，如果是主机读取数据，则更新SDA的位数据输出。SCL下降沿计数等于8时，进入应答阶段，状态机更新成ACK状态；如果是主机写入数据，并且是设备地址数据，则判断设备地址是否匹配，如果设备地址匹配，则将SDA设置成输出，并输出ACK信号，否则如果地址不匹配，则SDA保持为输入状态，不输出ACK信号；如果是主机读取数据，将SDA设置成输入，准备接收主机的应答信号。

A3. 如果状态机为ACK状态，这时应答信号已经传输完毕，状态机更新成DATA状态，准备继续接收或发送数据。如果是主机写入数据，将SDA设置成输入，继续接收后续数据；如果是主机读取数据，将SDA设置成输出，继续发送后续数据。

A4. 如果状态机为NACK状态，说明紧接着I2C通信将停止或重新启动，准备接收STOP或者ReSTART信号，所以需要将SDA设置成输入。此时状态机状态保持不变。

B. 发生上升沿中断时

B1. 如果状态机为DATA状态，I2C通信处于数据阶段，如果是主机写入数据，则采集主机通过SDA发送过来的位数据。

B2. 如果状态机为ACK状态，I2C通信处于应答阶段，如果是主机读取数据，则采集主机的应答信号，如果主机应答信号为1，说明主机发送了NACK的应答，状态机需要更新成NACK状态，准备接收停止或重新启动信号。

1.4 软件模拟I2C从机的代码实现

根据上面的程序思路，可以开始进行程序代码的设计，步骤如下。

1）设计I2C从机通信对应的结构体，I2C通信状态定义，I2C通信相关的宏定义的声明。部分代码如下。

// ...
#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通信状态
  uint8_t Rw;            // I2C读写标志：0-写，1-读
  uint8_t SclFallCnt;        // SCL下降沿计数
  uint8_t Flag;          // I2C状态标志，BIT0：0-地址无效，1-地址匹配
  uint32_t StartMs;        // I2C通信起始时间，单位ms，用于判断通信是否超时
  uint8_t* RxBuf;          // 指向接收缓冲区的指针
  uint8_t* TxBuf;          // 指向发送缓冲区的指针
  uint8_t RxIdx;          // 接收缓冲区数据写入索引，最大值255
  uint8_t TxIdx;          // 发送缓冲区数据读取索引，最大值255
}SwSlaveI2C_t;


extern SwSlaveI2C_t SwSlaveI2C;
// ...

2）I2C通信引脚SCL/SDA对应的GPIO的初始化。这里使用PB6/PB7引脚。代码如下。

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引脚被设置成中断引脚，需要实现GPIO的中断处理函数。中断处理函数中已经包含了软件模拟I2C从机的所有功能。代码如下。

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
  I2cGpioIsr();
}


void I2cGpioIsr(void)
{
  uint32_t temp;


  // 处理SCL的上下沿中断
  if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN) != RESET)
  {
    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(SW_SLAVE_SCL_PIN);
    // 更新通信起始时间
    SwSlaveI2C.StartMs = HAL_GetTick();
    // SCL的下降沿事件处理，此时需要更新要传输的数据
    if((SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN) == (uint32_t)GPIO_PIN_RESET)
    {
      switch(SwSlaveI2C.State)
      {
        case I2C_STA_START:    // 起始信号的下降沿，初始化相关参数并转到接收比特数据状态
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          SwSlaveI2C.RxIdx = 0;
          SwSlaveI2C.TxIdx = 0;
          SwSlaveI2C.Flag = 0;  // 默认地址不匹配
          SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] = 0;
          SwSlaveI2C.Rw = I2C_WRITE;  // 第1字节为设备地址，一定是写入
          SwSlaveI2C.State = I2C_STA_DATA;
          break;
        case I2C_STA_DATA:
          SwSlaveI2C.SclFallCnt++;
          if(8 > SwSlaveI2C.SclFallCnt)
          {
            // 如果是主机读取数据，则在SCL低电平时更新比特数据
            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)
            {
              // 从第一个地址字节中获取读写标志位，并判断地址是否匹配
              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)
              {
                // 如果是主机写入数据，且地址匹配，则接收完8比特数据后，需要发送ACK信号进行应答
                SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_OUT);
                CLR_SDA_PIN();
              }
            }
            else
            {
              // 如果是主机读取数据，需要将SDA设置成输入以便判断应答标志位状态
              SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
              // 如果是主机读取数据，准备发送下一个字节的数据
              SwSlaveI2C.TxIdx++;
            }
            // 接收或发送完8比特数据后，准备发送或接收应答信号
            SwSlaveI2C.State = I2C_STA_ACK;
          }
          break;
        case I2C_STA_ACK:
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          if(SwSlaveI2C.Rw == I2C_WRITE)
          {
            // 如果是主机写入数据，且ACK发送完毕，则SDA设置成输入，继续接收数据
            SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
            SwSlaveI2C.RxIdx++;
            SwSlaveI2C.RxBuf[SwSlaveI2C.RxIdx] = 0;
          }
          else
          {
            // 如果是主机读取数据，且ACK接收完毕，则SDA设置成输出，继续发送数据
            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，则后面将是STOP或者ReSTART信号，需要将SDA设置成输入
          SwSlaveI2C.SclFallCnt = 0;
          SET_SDA_DIR(temp, GPIO_DIR_IN);
          break;
      }
    }
    // SCL的上升沿事件处理，此时需要采集数据，而且在数据阶段，SCL高电平时数据必须保持不变
    else
    {
      switch(SwSlaveI2C.State)
      {
        case I2C_STA_DATA:  // 数据阶段，如果是主机写入数据，则采集比特数据
          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:  // 应答阶段，如果是主机读取数据，则判断ACK/NACK信号，默认状态是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为高电平时，SDA从高变低，说明是起始信号
      if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN)
      {
        SwSlaveI2C.State = I2C_STA_START;
      }
    }
    else
    {
      // SCL为高电平时，SDA从低变高，说明是停止信号，一次I2C通信结束，直接将状态设置成空闲
      if(SW_SLAVE_SCL_PRT->IDR & SW_SLAVE_SCL_PIN)
      {
        SwSlaveI2C.State = I2C_STA_IDLE;
      }
    }
  }
}

4）为了确保模拟I2C从机通信的可靠性，额外设计了I2C通信超时处理函数。在I2C通信进行的过程中，如果通信出现了中断，则通过超时判断来重置I2C从机状态，确保出现通信异常时可以从异常状态中自动恢复。该函数需要在主流程中调用。代码如下。

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通信超时的话，重置状态机，并把SDA设置成输入
      SwSlaveI2C.State = I2C_STA_IDLE;
      SET_SDA_DIR(TimeMs, GPIO_DIR_IN);
    }
  }
}

5）软件模拟I2C从机相关功能验证代码。这里需要借助STM32的另外一个I2C主机进行配合测试。这里将PF0/PF1对应的引脚配置成I2C主机，主机直接使用STM32的硬件I2C实现。PF0/PF1分别和PB7/PB6连接，然后验证数据收发的正确性。具体代码参见上面的工程链接。这里只展示最终的测试结果数据。如下图所示。

软件模拟I2C从机状态

I2C主机发送数据

软件模拟I2C从机接收数据

图2 软件模拟I2C从机数据接收验证结果

软件模拟I2C从机状态

软件模拟I2C从机发送数据

I2C主机接收数据

图3 软件模拟I2C从机数据发送验证结果

1.5 软件模拟I2C从机的注意事项

本例程中，对于400kbps速率的I2C通信，在进行代码编译链接时，需要使用-Ofast的优化方式，以提高中断处理函数的执行速度，使程序能正确执行。如果使用默认的无优化配置，会造成程序无法正确运行。

对于主频比较低的MCU，使用这里提供的软件模拟I2C从机进行I2C通信时，建议使用100kpbs以下的通信速率，并且注意使用可以提高代码执行速度的代码优化配置。

另外，建议将用于模拟SDA/SCL的GPIO引脚中断优先级设置成最高，以便能及时响应I2C通信时序的中断。