硬件I2C和软件I2C（模拟I2C）的区别

硬件I2C和软件I2C是两种不同的实现I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间）通信协议的方式，它们在实现方式、性能特点以及应用场景上存在显著差异。

一、实现方式

硬件I2C：通过专门的硬件电路实现，这些电路通常由微控制器或其他集成电路上的硬件模块提供支持。硬件I2C可以直接调用内部寄存器进行配置，利用芯片中的硬件I2C外设，自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，从而减轻CPU的负担。
软件I2C：通过软件控制GPIO（通用输入输出）管脚来模拟I2C协议的时序。这通常涉及到在程序中控制SCL（串行时钟）和SDA（串行数据）线的电平状态，以模拟I2C通信的起始、停止、数据发送和接收等过程。

二、性能特点

硬件I2C：
- 高速传输：由于使用专门的硬件电路，硬件I2C可以实现较高的数据传输速度，通常可以达到400kHz或更高。
- 低占用率：传输过程由硬件电路完成，不需要CPU的直接参与，因此可以释放CPU资源，降低系统负载。
- 稳定性高：时序控制由硬件电路完成，不易受到外部干扰的影响，具有较高的通信稳定性。
- 占用CPU资源少：由于硬件I2C的传输过程不需要CPU的干预，因此可以显著减少CPU的占用率。
- 可靠性高：硬件I2C的实现符合I2C标准，具有较高的可靠性。
然而，硬件I2C也存在一些缺点，如外设数量限制和异常处理难度较大。
软件I2C：
- 灵活性高：可以使用任意的GPIO管脚来实现，适应不同的硬件平台和需求。
- 可移植性强：不依赖于特定的硬件电路，可以在不同的平台上进行移植和使用。
- 适用范围广：在没有硬件I2C支持的情况下，软件I2C可以作为替代方案，也可以用于扩展硬件I2C的功能。
- 软件I2C通常也被称为模拟I2C：这是因为软件I2C是通过软件编程来控制GPIO（通用输入输出）引脚来模拟I2C通信协议的时序和信号。它不使用微控制器或其他集成电路上的硬件I2C模块，而是通过编写代码来手动控制SCL（串行时钟）和SDA（串行数据）线的电平状态，从而模拟出I2C通信的起始条件、停止条件、数据发送和接收等过程。
  
  模拟I2C（即软件I2C）的优点在于其灵活性和可移植性，因为它不依赖于特定的硬件电路，可以在任何具有GPIO引脚的微控制器或处理器上实现。然而，与硬件I2C相比，模拟I2C的通信速度可能较慢，且由于需要CPU的参与来生成时序，因此会占用较多的CPU资源。此外，模拟I2C的实现可能不如硬件I2C稳定，因为它更容易受到外部干扰和程序错误的影响。
然而，软件I2C的速度和稳定性可能不如硬件I2C，且需要CPU的参与，因此会占用较多的CPU资源。此外，软件I2C的实现可能不符合I2C标准，导致可靠性较低。

三、应用场景

硬件I2C：适用于对传输速度和稳定性要求较高的场景，如高速数据传输、实时性要求较高的系统等。

/*
 * @description		: 初始化I2C，波特率100KHZ
 * @param - base 	: 要初始化的IIC设置
 * @return 			: 无
 */
void i2c_init(I2C_Type *base)
{
	/* 1、配置I2C */
	base->I2CR &= ~(1 << 7); /* 要访问I2C的寄存器，首先需要先关闭I2C */

    /* 设置波特率为100K
     * I2C的时钟源来源于IPG_CLK_ROOT=66Mhz
 	 * IC2 时钟 = PERCLK_ROOT/dividison(IFDR寄存器)
	 * 设置寄存器IFDR,IFDR寄存器参考IMX6UL参考手册P1260页，表29-3，
	 * 根据表29-3里面的值，挑选出一个还是的分频数，比如本例程我们
	 * 设置I2C的波特率为100K， 因此当分频值=66000000/100000=660.
	 * 在表29-3里面查找，没有660这个值，但是有640，因此就用640,
	 * 即寄存器IFDR的IC位设置为0X15
	 */
	base->IFDR = 0X15 << 0;

	/*
     * 设置寄存器I2CR，开启I2C
     * bit[7] : 1 使能I2C,I2CR寄存器其他位其作用之前，此位必须最先置1
	 */
	base->I2CR |= (1<<7);
}

/*
 * @description			: 发送重新开始信号
 * @param - base 		: 要使用的IIC
 * @param - addrss		: 设备地址
 * @param - direction	: 方向
 * @return 				: 0 正常 其他值 出错
 */
unsigned char i2c_master_repeated_start(I2C_Type *base, unsigned char address,  enum i2c_direction direction)
{
	/* I2C忙并且工作在从模式,跳出 */
	if(base->I2SR & (1 << 5) && (((base->I2CR) & (1 << 5)) == 0))		
		return 1;

	/*
     * 设置寄存器I2CR
     * bit[4]: 1 发送
     * bit[2]: 1 产生重新开始信号
	 */
	base->I2CR |=  (1 << 4) | (1 << 2);

	/*
     * 设置寄存器I2DR
     * bit[7:0] : 要发送的数据，这里写入从设备地址
     *            参考资料:IMX6UL参考手册P1249
	 */ 
	base->I2DR = ((unsigned int)address << 1) | ((direction == kI2C_Read)? 1 : 0);
	
	return 0;
}

/*
 * @description			: 发送开始信号
 * @param - base 		: 要使用的IIC
 * @param - addrss		: 设备地址
 * @param - direction	: 方向
 * @return 				: 0 正常 其他值 出错
 */
unsigned char i2c_master_start(I2C_Type *base, unsigned char address,  enum i2c_direction direction)
{
	if(base->I2SR & (1 << 5))			/* I2C忙 */
		return 1;

	/*
     * 设置寄存器I2CR
     * bit[5]: 1 主模式
     * bit[4]: 1 发送
	 */
	base->I2CR |=  (1 << 5) | (1 << 4);

	/*
     * 设置寄存器I2DR
     * bit[7:0] : 要发送的数据，这里写入从设备地址
     *            参考资料:IMX6UL参考手册P1249
	 */ 
	base->I2DR = ((unsigned int)address << 1) | ((direction == kI2C_Read)? 1 : 0);
	return 0;
}

/*
 * @description		: 检查并清除错误
 * @param - base 	: 要使用的IIC
 * @param - status	: 状态
 * @return 			: 状态结果
 */
unsigned char i2c_check_and_clear_error(I2C_Type *base, unsigned int status)
{
	/* 检查是否发生仲裁丢失错误 */
	if(status & (1<<4))
	{
		base->I2SR &= ~(1<<4);		/* 清除仲裁丢失错误位 			*/

		base->I2CR &= ~(1 << 7);	/* 先关闭I2C 				*/
		base->I2CR |= (1 << 7);		/* 重新打开I2C 				*/
		return I2C_STATUS_ARBITRATIONLOST;
	} 
	else if(status & (1 << 0))     	/* 没有接收到从机的应答信号 */
	{
		return I2C_STATUS_NAK;		/* 返回NAK(No acknowledge) */
	}
	return I2C_STATUS_OK;
}

/*
 * @description		: 停止信号
 * @param - base	: 要使用的IIC
 * @param			: 无
 * @return 			: 状态结果
 */
unsigned char i2c_master_stop(I2C_Type *base)
{
	unsigned short timeout = 0xffff;

	/*
	 * 清除I2CR的bit[5:3]这三位
	 */
	base->I2CR &= ~((1 << 5) | (1 << 4) | (1 << 3));

	/* 等待忙结束 */
	while((base->I2SR & (1 << 5)))
	{
		timeout--;
		if(timeout == 0)	/* 超时跳出 */
			return I2C_STATUS_TIMEOUT;
	}
	return I2C_STATUS_OK;
}

/*
 * @description		: 发送数据
 * @param - base 	: 要使用的IIC
 * @param - buf		: 要发送的数据
 * @param - size	: 要发送的数据大小
 * @param - flags	: 标志
 * @return 			: 无
 */
void i2c_master_write(I2C_Type *base, const unsigned char *buf, unsigned int size)
{
	/* 等待传输完成 */
	while(!(base->I2SR & (1 << 7))); 
	/*这里判断base->I2SR的bit7，可以理解为i2c有没有被占用，手册1467中说这个位由最后一个字节传输的第9个时钟的下降沿设置，完成为一。我们要考虑当传输多个字节时，每传输完一个字节（不是最后一个字节），bit7并不会被置一，而bit1每传输完一个字节（包括最后一个字节）都会被置一，因此在要开始传输时判断bit7也就是i2c有没有被占用，在传输多个字节的过程中每传输完一个字节要判断bit1并置0。
    */
	base->I2SR &= ~(1 << 1); 	/* 清除标志位 */
	base->I2CR |= 1 << 4;		/* 发送数据 */
	
	while(size--)
	{
		base->I2DR = *buf++; 	/* 将buf中的数据写入到I2DR寄存器 */
		
		while(!(base->I2SR & (1 << 1))); 	/* 等待传输完成 */	
		base->I2SR &= ~(1 << 1);			/* 清除标志位 */

		/* 检查ACK */
		if(i2c_check_and_clear_error(base, base->I2SR))
			break;
	}
	
	base->I2SR &= ~(1 << 1);
	i2c_master_stop(base); 	/* 发送停止信号 */
}

/*
 * @description		: 读取数据
 * @param - base 	: 要使用的IIC
 * @param - buf		: 读取到数据
 * @param - size	: 要读取的数据大小
 * @return 			: 无
 */
void i2c_master_read(I2C_Type *base, unsigned char *buf, unsigned int size)
{
	volatile uint8_t dummy = 0;

	dummy++; 	/* 防止编译报错 */
	
	/* 等待传输完成 */
	while(!(base->I2SR & (1 << 7))); 
	
	base->I2SR &= ~(1 << 1); 				/* 清除中断挂起位 */
	base->I2CR &= ~((1 << 4) | (1 << 3));	/* 接收数据 */
	
	/* 如果只接收一个字节数据的话发送NACK信号 */
	if(size == 1)
        base->I2CR |= (1 << 3);

	dummy = base->I2DR; /* 假读：假读触发下一个字节的传输 */
	
	while(size--)
	{
		while(!(base->I2SR & (1 << 1))); 	/* 等待传输完成 */	
		base->I2SR &= ~(1 << 1);			/* 清除标志位 */

	 	if(size == 0)
        {
        	i2c_master_stop(base); 			/* 发送停止信号 */
        }

        if(size == 1)
        {
            base->I2CR |= (1 << 3);
        }
		*buf++ = base->I2DR;
	}
}

/*
 * @description	: I2C数据传输，包括读和写
 * @param - base: 要使用的IIC
 * @param - xfer: 传输结构体
 * @return 		: 传输结果,0 成功，其他值 失败;
 */
unsigned char i2c_master_transfer(I2C_Type *base, struct i2c_transfer *xfer)
{
	unsigned char ret = 0;
	 enum i2c_direction direction = xfer->direction;	

	base->I2SR &= ~((1 << 1) | (1 << 4));			/* 清除标志位 */

	/* 等待传输完成 */
	while(!((base->I2SR >> 7) & 0X1)){}; 

	/* 如果是读的话，要先发送寄存器地址，所以要先将方向改为写 */
    if ((xfer->subaddressSize > 0) && (xfer->direction == kI2C_Read))
    {
        direction = kI2C_Write;
    }

	ret = i2c_master_start(base, xfer->slaveAddress, direction); /* 发送开始信号 */
    if(ret)
    {	
		return ret;
	}

	while(!(base->I2SR & (1 << 1))){};			/* 等待传输完成 */

    ret = i2c_check_and_clear_error(base, base->I2SR);	/* 检查是否出现传输错误 */
    if(ret)
    {
      	i2c_master_stop(base); 						/* 发送出错，发送停止信号 */
        return ret;
    }
	
    /* 发送寄存器地址 */
    if(xfer->subaddressSize)
    {
        do
        {
			base->I2SR &= ~(1 << 1);			/* 清除标志位 */
            xfer->subaddressSize--;				/* 地址长度减一 */
			
            base->I2DR =  ((xfer->subaddress) >> (8 * xfer->subaddressSize)); //向I2DR寄存器写入子地址
  
			while(!(base->I2SR & (1 << 1)));  	/* 等待传输完成 */

            /* 检查是否有错误发生 */
            ret = i2c_check_and_clear_error(base, base->I2SR);
            if(ret)
            {
             	i2c_master_stop(base); 				/* 发送停止信号 */
             	return ret;
            }  
        } while ((xfer->subaddressSize > 0) && (ret == I2C_STATUS_OK));

        if(xfer->direction == kI2C_Read) 		/* 读取数据 */
        {
            base->I2SR &= ~(1 << 1);			/* 清除中断挂起位 */
            i2c_master_repeated_start(base, xfer->slaveAddress, kI2C_Read); /* 发送重复开始信号和从机地址 */
    		while(!(base->I2SR & (1 << 1))){};/* 等待传输完成 */

            /* 检查是否有错误发生 */
			ret = i2c_check_and_clear_error(base, base->I2SR);
            if(ret)
            {
             	ret = I2C_STATUS_ADDRNAK;
                i2c_master_stop(base); 		/* 发送停止信号 */
                return ret;  
            }
           	          
        }
    }	


    /* 发送数据 */
    if ((xfer->direction == kI2C_Write) && (xfer->dataSize > 0))
    {
    	i2c_master_write(base, xfer->data, xfer->dataSize);
	}

    /* 读取数据 */
    if ((xfer->direction == kI2C_Read) && (xfer->dataSize > 0))
    {
       	i2c_master_read(base, xfer->data, xfer->dataSize);
	}
	return 0;	
}

软件I2C：适用于没有硬件I2C支持或需要扩展硬件I2C功能的场景，如低成本、低功耗的嵌入式系统、小型设备等。

//初始化IIC
void IIC_Init(void)
{			
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);//使能GPIOB时钟

  //GPIOB8,B9初始化设置
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化
	IIC_SCL=1;
	IIC_SDA=1;
}
//产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
	SDA_OUT();     //sda线输出
	IIC_SDA=1;	  	  
	IIC_SCL=1;
	delay_us(4);
 	IIC_SDA=0;//START:when CLK is high,DATA change form high to low 
	delay_us(4);
	IIC_SCL=0;//钳住I2C总线，准备发送或接收数据 
}	  
//产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
	SDA_OUT();//sda线输出
	IIC_SCL=0;
	IIC_SDA=0;//STOP:when CLK is high DATA change form low to high
 	delay_us(4);
	IIC_SCL=1; 
	IIC_SDA=1;//发送I2C总线结束信号
	delay_us(4);							   	
}
//等待应答信号到来
//返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
	u8 ucErrTime=0;
	SDA_IN();      //SDA设置为输入  
	IIC_SDA=1;delay_us(1);	   
	IIC_SCL=1;delay_us(1);	 
	while(READ_SDA)
	{
		ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			IIC_Stop();
			return 1;
		}
	}
	IIC_SCL=0;//时钟输出0 	   
	return 0;  
} 
//产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=0;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}
//不产生ACK应答		    
void IIC_NAck(void)
{
	IIC_SCL=0;
	SDA_OUT();
	IIC_SDA=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=1;
	delay_us(2);
	IIC_SCL=0;
}					 				     
//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答			  
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{                        
    u8 t;   
	SDA_OUT(); 	    
    IIC_SCL=0;//拉低时钟开始数据传输
    for(t=0;t<8;t++)
    {              
        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
        txd<<=1; 	  
		delay_us(2);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
		IIC_SCL=1;
		delay_us(2); 
		IIC_SCL=0;	
		delay_us(2);
    }	 
} 	    
//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
	{
        IIC_SCL=0; 
        delay_us(2);
		IIC_SCL=1;
        receive<<=1;
        if(READ_SDA)receive++;   
		delay_us(1); 
    }					 
    if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
    else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
    return receive;
}

综上所述，硬件I2C和软件I2C各有其优势和适用场景。在选择时，需要根据具体的应用需求和系统资源来权衡利弊，选择最合适的实现方式。