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从零实现I2C通信：手把手教你用GPIO“捏”出一个总线

你有没有遇到过这样的窘境？项目里要接三四个I2C传感器，可MCU只有一个硬件I2C外设；或者两个设备地址冲突，改不了也拆不开；再或者芯片压根没集成I2C模块——比如某些老款51单片机或低成本RISC-V内核。这时候，硬件资源不够，软件就得顶上。

今天我们就来干一件“硬核软活”：不靠任何专用外设，只用两个普通GPIO引脚，从头模拟出完整的I2C通信过程。这不仅是解决实际问题的利器，更是深入理解协议本质的最佳路径。

为什么需要“软”I2C？

I2C（Inter-Integrated Circuit）是嵌入式系统中最常见的串行总线之一。它只需要两根线——SDA（数据）和SCL（时钟），就能连接多个设备，广泛用于EEPROM、温度传感器、RTC、触摸屏控制器等低速外设。

现代MCU大多集成了硬件I2C控制器，能自动处理起始信号、地址匹配、ACK检测和移位传输。但这些模块并非万能：

• 引脚固定，无法灵活布局；
• 多个设备共用总线时容易因地址重复导致冲突；
• 某些低端MCU根本没有I2C外设；
• 硬件模块出错时难以调试，日志黑盒化严重。

而软件模拟I2C（俗称bit-banging）则完全不同。它是通过CPU直接控制GPIO电平变化，人工“捏”出符合规范的波形。虽然牺牲了效率，却换来了无与伦比的灵活性和可移植性。

更重要的是：当你亲手写出一个i2c_start()函数，并在示波器上看到那条完美的下降沿时，你会真正明白什么叫“协议即代码”。

I2C到底怎么工作的？别被术语吓住

很多人觉得I2C复杂，其实是被文档里的“仲裁”、“时钟延展”、“多主模式”这些词唬住了。其实核心逻辑非常简单，就像两个人打电话对暗号：

“喂？是我。”
“你是谁？”
“我是老王，有事说事。”
“你说。”
“把灯打开。”
“好嘞。”

只不过这个“对话”是在电气层面完成的，而且必须严格遵守时间规则。

总线结构：开漏 + 上拉

I2C的SDA和SCL都是开漏输出（Open-Drain），意味着它们只能主动拉低电平，不能主动驱动高电平。所以必须外接上拉电阻（通常4.7kΩ），让线路在无人操作时自然回到高电平状态。

这种设计的好处是允许多个设备共享同一总线——谁想说话就拉低，不想说就放手，靠电阻“托”回去，不会短路。

基本操作单元：起始、停止、读写位

所有I2C通信都建立在这几个基本动作之上：

这就像是交通灯：红灯停（SCL高），绿灯行（SCL低）。你在红灯亮的时候换车道？会被撞飞——也就是通信失败。

数据是怎么传的？

每次传输一个字节（8位），之后跟着一个ACK/NACK位：
- 如果接收方成功收到，就在第9个时钟周期把SDA拉低 →ACK
- 否则保持高电平 →NACK

主机写数据给从机的过程如下：
1. 发起Start
2. 发送从设备地址 + 写标志（R/W = 0）
3. 等待ACK
4. 发送命令或寄存器地址
5. 继续等待ACK
6. 发送数据…
7. 最后发Stop

读数据稍微复杂点，要用到重复起始（Repeated Start）：
1. 先以“写”模式发送地址和目标寄存器
2. 不发Stop，而是立刻再发一次Start
3. 切换为“读”模式，开始接收数据

整个过程像极了去图书馆借书：“我要查编号XX的书” → “好的，请稍等” → （管理员拿书）→ “现在我可以读了吗？” → “可以。”

核心挑战：时序！时序！还是时序！

硬件I2C模块内部有状态机和定时器，能精准控制每一个边沿。但我们用软件模拟，就得靠延时函数“卡节奏”。

以标准模式（100kbps）为例，关键时序要求如下：

这意味着我们每一步操作之间都要插入适当的延时。太短，对方采样不到；太长，速率下降甚至超时。

幸运的是，在大多数主频≥24MHz的MCU上，简单的循环延时就够用了。例如：

void delay_us(uint32_t us) { while (us--) { __NOP(); __NOP(); __NOP(); __NOP(); // 假设每4条空指令约1μs（视主频调整） } }

当然，更精确的做法是使用SysTick或DWT计数器，避免中断干扰破坏波形完整性。

手撕代码：五个函数搞定I2C模拟

下面是一套经过实战验证的基础框架，适用于STM32、ESP32、LPC、AVR等多种平台，只需修改GPIO宏即可移植。

第一步：定义接口抽象层

为了让代码可移植，先封装底层GPIO操作：

// 根据你的平台修改引脚定义 #define SDA_PIN 0 // 如PA0 #define SCL_PIN 1 // 如PA1 // 方向控制（假设使用类似CMSIS的接口） #define SET_SDA_OUTPUT() GPIO_DIR |= (1 << SDA_PIN) #define SET_SDA_INPUT() GPIO_DIR &= ~(1 << SDA_PIN) #define SET_SCL_OUTPUT() GPIO_DIR |= (1 << SCL_PIN) // 输出操作 #define SDA_HIGH() GPIO_OUT |= (1 << SDA_PIN) #define SDA_LOW() GPIO_OUT &= ~(1 << SDA_PIN) #define SCL_HIGH() GPIO_OUT |= (1 << SCL_PIN) #define SCL_LOW() GPIO_OUT &= ~(1 << SCL_PIN) // 输入读取 #define READ_SDA() ((GPIO_IN >> SDA_PIN) & 0x01)

💡 提示：如果你用的是STM32 HAL库，可以把上面换成HAL_GPIO_WritePin()和HAL_GPIO_ReadPin()。

第二步：实现起始与停止条件

/** * @brief 产生I2C起始条件 */ void i2c_start(void) { // 确保总线空闲（SDA和SCL均为高） SDA_HIGH(); SCL_HIGH(); delay_us(5); // 关键时刻：SCL为高时，SDA由高变低 SDA_LOW(); delay_us(5); SCL_LOW(); // 主动拉低SCL，准备发送数据 }

注意最后一步要把SCL也拉低——否则下一个数据位会在SCL高电平时就被改变，违反协议。

/** * @brief 产生I2C停止条件 */ void i2c_stop(void) { SCL_LOW(); SDA_LOW(); delay_us(5); SCL_HIGH(); // 先释放时钟 delay_us(5); SDA_HIGH(); // 再释放数据线 → Stop delay_us(5); }

顺序不能错：先放SCL，再放SDA，否则可能误触发另一个Start。

第三步：发送一个字节并检查ACK

/** * @brief 发送一个字节，返回是否收到ACK * @param data 要发送的数据（8位） * @return 0=收到ACK, 1=未收到ACK（NACK） */ uint8_t i2c_send_byte(uint8_t data) { uint8_t i; for (i = 0; i < 8; i++) { // 设置当前bit（MSB优先） if (data & 0x80) { SDA_HIGH(); } else { SDA_LOW(); } data <<= 1; delay_us(5); // 数据建立时间 // 上升沿采样 SCL_HIGH(); delay_us(5); SCL_LOW(); delay_us(5); } // 进入第9周期：接收ACK SET_SDA_INPUT(); // 放开SDA，让从机控制 delay_us(5); SCL_HIGH(); // 第9个上升沿 delay_us(5); uint8_t ack = READ_SDA(); // 低电平表示ACK SCL_LOW(); SET_SDA_OUTPUT(); // 恢复主控权 SDA_LOW(); // 保持低，便于后续操作 delay_us(5); return ack; // 返回ACK状态 }

重点在于第九位的处理：主机必须释放SDA，转为输入模式，才能让从机拉低回应。

第四步：读取一个字节并发送ACK/NACK

/** * @brief 读取一个字节，并决定是否发送ACK * @param ack_to_send 0=发送ACK继续读, 1=发送NACK结束 * @return 接收到的8位数据 */ uint8_t i2c_read_byte(uint8_t ack_to_send) { uint8_t i; uint8_t data = 0; SET_SDA_INPUT(); // SDA设为输入，准备接收 for (i = 0; i < 8; i++) { data <<= 1; SCL_HIGH(); // 上升沿采样 delay_us(5); if (READ_SDA()) { data |= 0x01; } SCL_LOW(); delay_us(5); } // 发送ACK/NACK SET_SDA_OUTPUT(); if (ack_to_send) { SDA_HIGH(); // NACK：不拉低 } else { SDA_LOW(); // ACK：拉低 } delay_us(5); SCL_HIGH(); // 第9个时钟脉冲 delay_us(5); SCL_LOW(); SDA_LOW(); // 恢复低电平状态 delay_us(5); return data; }

这里的关键是：读完8位后，主机要主动发出ACK/NACK来告诉从机“我还要不要继续”。

实战案例：读取LM75温度传感器

假设我们要从LM75读取温度值，其地址为0x48，默认读地址为0x91。

完整流程如下：

float read_lm75_temperature(void) { uint8_t msb, lsb; i2c_start(); i2c_send_byte(0x90); // 地址0x48 << 1 | W(0) → 0x90 i2c_send_byte(0x00); // 选择温度寄存器 i2c_start(); // Repeated Start i2c_send_byte(0x91); // 切换为读模式 msb = i2c_read_byte(1); // 读高字节，发送NACK（结束） i2c_stop(); // LM75温度为16位补码，精度0.125°C int16_t raw = (msb << 8); float temp = raw / 256.0; // 实际为9-bit有效，此处简化 return temp; }

⚠️ 注意：不同传感器寄存器映射不同，务必查阅手册确认地址和格式。

常见坑点与避坑秘籍

❌ 坑1：SDA方向切换遗漏

最常见的错误是忘记在读取ACK前将SDA设为输入。结果就是主机自己还在拉着SDA，从机根本没法拉低应答，永远收不到ACK。

✅秘籍：凡是涉及“接收”的步骤，第一步就是SET_SDA_INPUT()。

❌ 坑2：延时不准确

在高频主控下，delay_us(1)可能远小于1微秒；而在低频晶振下又可能过长。导致T_LOW不足，从机来不及响应。

✅秘籍：
- 使用定时器或DWT做精确定时；
- 或根据主频计算NOP数量；
- 初期可用示波器观察SCL高低宽度，手动调参。

❌ 坑3：中断打断延时

如果开了全局中断，长时间的delay_us()可能被高优先级任务打断，造成SCL波形畸变。

✅秘籍：
- 在关键事务中临时关闭中断（慎用）；
- 或改用非阻塞方式（如状态机+定时器翻转）；
- RTOS环境下加互斥锁保护整个I2C会话。

❌ 坑4：上拉电阻选错

总线上电容过大（走线长、设备多）时，若上拉电阻太大（如10kΩ），上升沿会变缓，影响高速通信。

✅秘籍：
- 快速模式（400kbps）建议用2.2kΩ~4.7kΩ；
- 可通过示波器测量上升时间（应 < 1μs）来验证。

它真的慢吗？性能与适用场景

毫无疑问，软件模拟比硬件I2C慢得多。一次字节传输大约耗时80~100μs，理论带宽仅约100kbps左右，且占用大量CPU资源。

但它胜在灵活可靠，特别适合以下场景：

甚至有人把它用在极端环境下的容错系统中：当硬件I2C失效时，自动切换到软件模拟模式降级运行。

更进一步：如何提升稳定性？

基础版本已经够用，但如果想让它更健壮，可以加入以下改进：

✅ 添加超时机制

防止因设备掉线导致死循环：

uint8_t i2c_wait_ack_timeout(uint32_t timeout_us) { SET_SDA_INPUT(); while (timeout_us > 0) { if (!READ_SDA()) return 0; // 收到ACK delay_us(1); timeout_us--; } return 1; // 超时 }

✅ 封装成类/结构体（C++风格）

便于管理多组I2C总线：

typedef struct { uint8_t sda_pin; uint8_t scl_pin; void (*set_sda_high)(void); void (*set_sda_low)(void); // ... } SoftI2C;

✅ 结合定时器实现非阻塞通信

利用PWM或输出比较通道生成精确SCL，大幅降低CPU负载。

写在最后：掌握底层，才有自由

软件模拟I2C看起来像是“退而求其次”的方案，但它教会我们的远不止通信本身。

当你亲手实现了每一个起始、每一位传输、每一次ACK检测，你就不再是一个只会调API的使用者，而成了能看透协议本质的掌控者。

下次面对SPI、UART甚至CAN，你都会问自己一句：“这玩意能不能用GPIO‘捏’出来？”
答案往往是：能，而且你应该试试。

毕竟，在嵌入式世界里，真正的高手，不是拥有最多工具的人，而是知道如何用最少资源解决问题的人。

如果你正在学习I2C，不妨今晚就动手写一个i2c_start()，接上示波器，看看那条属于你的第一条完美波形。那一刻，你会感受到一种久违的、纯粹的技术喜悦。

有任何实现问题？欢迎留言讨论，我们一起debug每一根线。