【转】GPIO编程模拟I2C入门(浓缩快速教程)

就是用一个GPIO pin（CLK pin）的高低电位切换来模拟出始终的high/low，用另外一根GPIO pin（DATA pin）的高低电位，传递数据。

      IIC本来是一个硬件模块之间的通信协议，一般芯片都有专门的电路逻辑块来处理协议，并通过两根线路（时钟SCk、数据SDA）来跟其余同样有IIC模块的器件通信。
      由于其通信速率（400K）和通信方式（串行）跟其他串并口通信方式不同，所以一般都用于主机跟从机传递控制参数、参考数据、或者少量的其他数据。
      IIC 协议主要在乎的时序的准确性，所以在没有专门的IIC模块的单片机中，你也可以用两个IO口来模拟输出IIC协议的波形，这个波形不管是IIC硬件模块生成的，还是软件模拟出来的，只要符合IIC协议标准的时序和电平，都是一样的，接受端也不会挑剔。就像你要喝水，主要是喝 H2O，它究竟是从山涧里面流出来的泉水，还是工厂里面处理的蒸馏水，你可能并不在意，只要符合饮用标准就行。
      还有一些系统中，CPU原有的IIC总线可能用于控制几个比较重要的几个芯片，为了避免争用、或者为了硬件上相互影响，对于不太重要的芯片，有时候会再用几个GPIO脚来做模拟IIC跟它通信。软件实现非常简单，就是根据IIC协议，先拉高SCK、SDA线，然后延时Nms后，将SDA拉低，然后再延时 Nms，一个IIC Start工作就完成了。传输数据过程也差不多，但是根据不同的芯片，可能时序定义会有差异，所以要常常调整IIC时钟速率，调整各个延时时长，提高驱动电流等。

        另外gpio口模拟IIC是占系统CPU资源的，而硬件IIC不占cpu资源！所以在有OS的应用中，如果用gpio模拟IIC的话，一定要进入临界区！

 

GPIO编程模拟I2C入门(浓缩快速教程)

 

作者：李雪松
第一版发表于http://lixuesong.spaces.msn.com/

（本文为浓缩版快速教程，由李雪松根据经验撰写，I2C允许自定义，不一定完全遵守）

I2C是由Philips公司发明的一种串行数据通信协议，仅使用两根信号线：SerialClock（简称SCL）和SerialData（简称SDA）。I2C是总线结构，1个Master，1个或多个Slave，各 Slave设备以7位地址区分，地址后面再跟1位读写位，表示读（=1）或者写（=0），所以我们有时也可看到8位形式的设备地址，此时每个设备有读、写两个地址，高7位地址其实是相同的。

I2C数据格式如下：
无数据：SCL=1，SDA=1；
开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；
停止位（Stop）：当SCL=1时，SDA由0向1跳变；
数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；
当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；
地址位：定义同数据位，但只由Master发给Slave；
应答位（ACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否应答位（NACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。

当数据为单字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，停止位。
当数据为一串字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，8位数据，应答，……，8位数据，应答，停止位。

需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。
2，开始位"Start"和停止位"Stop"，只能由Master来发出。
3，地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送"ACK"。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送"Stop"。
4，当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答"ACK"，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答"NACK"，Master当收到"NACK"或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送 "Stop"。
5，当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答"ACK" 以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答"NACK"以提示Slave设备准备接收Stop信号。
6，当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放（SCL=0将发生"线与"）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

在实际应用中，并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下，编程者可以事先约定数据传送的长度，不发送ACK，有时可以起到减少系统开销的效果。



GPIO是相对于芯片本身而言的，如某个管脚是芯片的GPIO脚，则该脚可作为输入或输出高或低电平使用，当然某个脚具有复用的功能，即可做GPIO也可做其他用途


GPIO就是Generial Purpose IO，你可以用它来干任何事情。

GPIO映射到CPU的memory map中，你可以把一组GPIO当作一个register，该register的每一位对应一个gpio引脚，因此你可以用内存访问指令来设置和读取GPIO引脚上的信号以驱动外设。

最简单的例子，一个LED可以与一个GPIO相连，你的程序可以set/clear该GPIO对应的register中的bit，来控制LED的亮与灭


首先应该理解什么是GPIO。GPIO，英文全称为General-Purpose IO ports，也就是通用IO口。在嵌入式系统中常常有数量众多，但是结构却比较简单的外部设备/电路，对这些设备/电路有的需要CPU为之提供控制手段，有的则需要被CPU用作输入信号。而且，许多这样的设备/电路只要求一位，即只要有开/关两种状态就够了，比如灯亮与灭。对这些设备/电路的控制，使用传统的串行口或并行口都不合适。所以在微控制器芯片上一般都会提供一个"通用可编程IO接口"，即GPIO。接口至少有两个寄存器，即"通用IO控制寄存器 "与"通用IO数据寄存器"。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而对这种寄存器中每一位的作用，即每一位的信号流通方向，则可以通过控制寄存器中对应位独立的加以设置。这样，有无GPIO接口也就成为微控制器区别于微处理器的一个特征。

 

    在实际的MCU中，GPIO是有多种形式的。比如，有的数据寄存器可以按照位寻址，有些却不能按照位寻址，这在编程时就要区分了。比如传统的8051系列，就区分成可位寻址和不可位寻址两种寄存器。另外，为了使用的方便，很多mcu把glue logic等集成到芯片内部，增强了系统的稳定性能，比如GPIO接口除去两个标准寄存器必须具备外，还提供上拉寄存器，可以设置IO的输出模式是高阻，还是带上拉的电平输出，或者不带上拉的电平输出。这在电路设计中，外围电路就可以简化不少。

 

    明白了这个道理，不同的MCU，提供的GPIO口的数目不同，可选择的glue logic也不同。所以，在了解共性的基础上去了解个性。

 

    另外需要注意的是，对于不同的计算机体系结构，设备可能是端口映射，也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间，并且是端口映射，就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制，因为C语言并没有提供真正的"端口"的概念。如果是内存映射，那就方便的多了。举个例子，比如像寄存器A（地址假定为 0x48000000）写入数据0x01，那么就可以这样设置了。