一、前言

先楫 MCU 提供了多達(dá) 8 路硬件 I2C 接口，功能非常完善。但在實(shí)際項(xiàng)目中，由于引腳資源緊張或引腳復(fù)用沖突，硬件 I2C 并不總是一個(gè)最優(yōu)選擇。

另一方面，I2C 在很多場(chǎng)景下僅用于初始化配置或低頻讀寫，對(duì)性能和帶寬的要求并不高。

在這種情況下，使用 GPIO 模擬 I2C（即軟 I2C）就顯得非常有價(jià)值：

既能節(jié)省寶貴的硬件資源，又能滿足功能需求，還能提升系統(tǒng)的靈活性。

本文將基RT-Thread框架，結(jié)合hpmicro BSP，以HPM6750EVK2開發(fā)板為例，介紹如何為先楫 MCU 實(shí)現(xiàn)一個(gè)靈活、可擴(kuò)展、易于使用的軟 I2C 驅(qū)動(dòng)，并以AT24C02 EEPROM為實(shí)例展示其應(yīng)用方式。

以往的先楫RT-Thread文章可以參考這個(gè)文章系列

《先楫RT-Thread開發(fā)系列文章》

二、從驅(qū)動(dòng)層看實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

（一）板級(jí)定義模擬I2C的IO引腳

先楫的 RT-Thread BSP 已經(jīng)完成了PIN 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)接，這為軟 I2C 的實(shí)現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ)。

為了提升配置的可讀性和可維護(hù)性，在板級(jí)配置（如 Kconfig）中，推薦使用字符串形式的引腳名來定義 SDA 和 SCL，例如：

SDA：PZ11SCL：PZ10

在驅(qū)動(dòng)內(nèi)部，可以通過rt_pin_get()接口，將字符串形式的引腳名轉(zhuǎn)換為 RT-Thread 使用的實(shí)際 IO 索引號(hào)（即先楫 MCU 的 IO 編號(hào)），后續(xù)所有 GPIO 操作都基于該索引完成。

這種方式相比直接使用數(shù)字引腳編號(hào)，有明顯優(yōu)勢(shì)：

1、可讀性更強(qiáng)例如PD21能直觀反映出這是 D 組的第 21 個(gè)引腳。

2、可移植性更好不同平臺(tái)的引腳編號(hào)規(guī)則不同，字符串形式可以屏蔽底層差異。

3、更不容易出錯(cuò)避免手工填寫數(shù)字編號(hào)時(shí)常見的 off-by-one 錯(cuò)誤。

在驅(qū)動(dòng)中，無論是設(shè)置 SDA 電平，還是讀取 SCL 狀態(tài)，最終都會(huì)通過rt_pin_get()獲取 IO 索引，再調(diào)用 RT-Thread 的 PIN 接口完成操作。

（二）I2C 的位級(jí)操作

I2C 是一種典型的串行通信協(xié)議，通過SCL（時(shí)鐘線）和SDA（數(shù)據(jù)線）兩根信號(hào)線完成通信。

軟 I2C 的本質(zhì)，就是用 GPIO 的高低電平變化來模擬這兩根信號(hào)線的時(shí)序。

從驅(qū)動(dòng)角度來看，只需要實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)最基礎(chǔ)的位級(jí)操作：

1、設(shè)置 SCL 為高 / 低電平

2、設(shè)置 SDA 為高 / 低電平

3、讀取 SCL 電平

4、讀取 SDA 電平

這四個(gè)操作是軟 I2C 的最底層能力，所有更復(fù)雜的行為——如起始信號(hào)、停止信號(hào)、位傳輸、字節(jié)收發(fā)、ACK/NACK 判斷——都可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)建。

RT-Thread 已經(jīng)提供了成熟的I2C 位操作框架（i2c_bit_ops）。

驅(qū)動(dòng)只需實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)接口，并將其注冊(cè)到 RT-Thread 的 I2C 框架中，協(xié)議層細(xì)節(jié)將完全由 RT-Thread 負(fù)責(zé)處理，極大地降低了驅(qū)動(dòng)開發(fā)難度。

（三）驅(qū)動(dòng)初始化的流程

驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)會(huì)遍歷所有配置的 I2C 設(shè)備，對(duì)每一個(gè)設(shè)備做以下工作：

1、根據(jù)配置結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)對(duì)象

2、設(shè)置驅(qū)動(dòng)對(duì)象的操作函數(shù)指針（指向上面提到的四個(gè)基本操作）

3、將驅(qū)動(dòng)對(duì)象注冊(cè)到 RT-Thread I2C 框架，這樣應(yīng)用層就可以通過 rt_device_find() 找到它

4、進(jìn)行總線恢復(fù)（防止 I2C 總線被卡住）

5、輸出初始化日志供調(diào)試

初始化完成后，應(yīng)用層就可以把軟 I2C 當(dāng)作一個(gè)普通的 RT-Thread I2C 設(shè)備來使用了

三、另一種實(shí)現(xiàn)方式說明

如果系統(tǒng)已經(jīng)啟用了 RT-Thread 的 PIN 設(shè)備框架，也可以直接使能 RT-Thread 自帶的RT_USING_SOFT_I2C組件。

這種方式下，軟 I2C 的核心邏輯由 RT-Thread 提供，開發(fā)者只需要在配置中填寫 SDA 和 SCL 對(duì)應(yīng)的引腳編號(hào)。

需要注意的是，這里的引腳編號(hào)需要根據(jù)先楫 MCU 的 IO 索引規(guī)則手動(dòng)填寫，相比字符串方式在可讀性上略遜一籌。

四、應(yīng)用層開發(fā)——以 AT24C02 為例

HPM6750EVK2 開發(fā)板上自帶了一顆AT24C02 EEPROM，非常適合作為軟 I2C 的驗(yàn)證對(duì)象。

在驅(qū)動(dòng)加載完成后，可以通過 msh 查看系統(tǒng)設(shè)備列表，確認(rèn)對(duì)應(yīng)的軟 I2C 總線（如 soft_i2c0）已經(jīng)成功注冊(cè)。

在應(yīng)用層中，只需通過rt_device_find()獲取該 I2C 設(shè)備句柄，后續(xù)的 EEPROM 讀寫操作即可完全復(fù)用 RT-Thread 提供的標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口。

例如，在寫入 EEPROM 時(shí)，直接使用 I2C 發(fā)送接口即可；

隨后再讀取相同地址的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證寫入內(nèi)容是否一致。

從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，軟 I2C 在約 300 kHz 的通信速率下工作穩(wěn)定，邏輯分析儀抓取的波形也符合 I2C 時(shí)序要求，完全滿足 AT24C02 這類低速外設(shè)的應(yīng)用需求。

五、總結(jié)

在嵌入式系統(tǒng)中，引腳資源緊張與外設(shè)需求多樣化幾乎是常態(tài)。

即便 MCU 提供了豐富的硬件外設(shè)，合理引入軟實(shí)現(xiàn)方案，依然是提升系統(tǒng)靈活性的重要手段。

本文結(jié)合先楫 MCU 與 RT-Thread 框架，完整展示了一種工程化的軟 I2C 實(shí)現(xiàn)思路。

通過配置驅(qū)動(dòng)、分層設(shè)計(jì)以及對(duì) RT-Thread 現(xiàn)有能力的充分利用，使軟 I2C 在系統(tǒng)中具備了與硬件 I2C 一致的使用體驗(yàn)。

實(shí)踐表明，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，軟 I2C 在穩(wěn)定性和時(shí)序精度上完全可以滿足常見外設(shè)的需求。

在硬件資源受限、I2C 使用頻率不高或?qū)σ_分配要求較高的場(chǎng)景下，軟 I2C 是一種值得優(yōu)先考慮的解決方案。

希望本文的實(shí)現(xiàn)思路和工程經(jīng)驗(yàn)，能為你在后續(xù)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)外設(shè)驅(qū)動(dòng)、優(yōu)化資源分配提供有價(jià)值的參考。