使用 GD32F470ZGT6，手写 I2C 的实现

news2024/12/14 13:32:56

我的代码：https://gitee.com/a1422749310/gd32_-official_-code
I2C 具体代码位置：https://gitee.com/a1422749310/gd32_-official_-code/blob/master/Hardware/i2c/i2c.c
黑马 - I2C原理
官方 - IIC 协议介绍

个人学习过程中的理解，有错误，欢迎指出

移植

【I2C 具体代码位置】中，要更改代码的地方

#define SCL(bit) gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_6, bit == 1 ? SET : RESET);
#define SDA(bit) gpio_bit_write(GPIOB, GPIO_PIN_7, bit == 1 ? SET : RESET);
#define DELAY()  delay_1us(5);

#define SDA_IN() gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_7);
#define SDA_OUT() gpio_mode_set(GPIOB, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_7);
#define SDA_STATE() gpio_input_bit_get(GPIOB, GPIO_PIN_7)

以及 
void I2C_Init()

其他地方，都是和平台无关的

写数据

SCL、SDA 数据的四种形式

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

SCL 和 SDA 的高低电平的持续时间是多少？

回答这个问题，需要涉及：I2C总线的时钟频率
I2C总线的时钟频率，通常在100kHz到400kHz之间，其中

  • 100kHz是标准模式（Standard Mode）
    • 1秒钟，就是 1 000 000us，100 000 个bit，相除，可得：10us 1bit
    • 👆 10us，才得到一个 bit，那么，睡眠的时候，就是 5us（一半，用于开始、停止的变化）
  • 400kHz是快速模式（Fast Mode）
    • 1秒钟，就是 1 000 000us，400 000 个bit，相除，可得：2.5us 1bit
      此外，I2C总线还支持更高速度
  • 高速模式（High Speed Mode）：1MHz
  • 超高速模式（Ultra-Fast Mode）：5MHz

因此，SCL 和 SDA 的高低电平的持续时间是多少？要看具体使用的 I2C 的外设的 datasheet
比如，如果某个 datasheet 上面写了 100kHz，那么，就是 10us 1bit，就 #define DELAY() delay_1us(5);

开始、结束、发送、等待响应总结

  • 开始（Start）：正弦函数
  • 结束（Stop）：左边有 1 竖（都是低电平）的【凹函数】
  • 发送（Send）：SDA准备 🏃‍，持续3个delay；SCL 从暴富到破产（或者理解为跳水，但是，跳水，SDA 用了。 所以，可以这么理解：SCL，老板，指挥官，与财富相关，SDA，员工，行动派，与行为相关）
  • 等待响应（Wait ACK）：SCL、SDA 亲亲😘；SCL 从暴富到破产，SDA 控制权转移
    👆 很奇怪，之前用【亲亲】，感觉不好意思🥵，于是改成【靠近】，后来发现，还是亲亲好，上头😓
    👇 可以看到，只有【开始】(绿点)和【结束】(橙点)，有比较长的 SCL（上面的信号是 SCL）（也印证了SCL 连续高两次）
    在这里插入图片描述

懒得复制图片了，直接看这个链接吧 黑马 - IIC

1、开始 Start：【正弦函数】

[图片]

  • 1：SCL 之前，SDA，一定是高的，不然没法下落
  • 2：SCL，暴富，站起来了（起作用了）
  • 3：将 SDA 拉低
  • 4：SCL，破产，没落了，代表之后不起作用了（虎落平阳被犬欺）

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黑马 - 逻辑分析仪
下载：逻辑分析仪Logic-2.4.9-windows-x64.exe

[图片]
[图片]

I2C 要进行配置 👇
[图片]
[图片]
[图片]

最终 👇，注意采样率，不要太低，我之前设置为 100kS/s，采样的波形，是错误的（当时没理解概念，将 100kS/s 和之前的 100kHz是标准模式 那个联系在一起了🤡。。。）
[图片]

2、结束 Stop：左边有 1 竖的【凹函数】

[图片]
[图片]
👆，这里，开始的 4 和结束的 1，共了

  • 1：SCL、SDA 同时变低，方便 SCL 站起来

  • 2：SCL，暴富，站起来了（起作用了）

  • 3：SDA，上岸（游泳🏊‍结束）
    static void stop() {
    SCL(0);
    SDA(0);
    DELAY(); // <— 视频中没有加 delay

    SCL(1);
    DELAY();

    SDA(1);
    DELAY();
    }

2.1、结束代码，有问题

👆 视频中代码有问题，没有加 delay
[图片]
[图片]
测试代码如下 👇，对应波形 👆
可以看到，stop 中，SCL(0)、SDA(0) 后，立马 SCL(1)，在波形上，显示的是，是很窄的一个波形（👆 右图中，绿色，1、1 的框框）
另外，注意上面图片中，中间的区域，我将其设置为 11、00、11，目的是为了对比（之后 2.2 中，有关于对这个波形的讨论）
static void stop()
{
SDA_OUT(); // SDA 重新获得控制权，SDA 变成输出

SCL(0);
SDA(0);
// DELAY(); 未加 delay

SCL(1);
DELAY();

SDA(1);
DELAY();

}

void test_wave()
{
start();

// 中间
SCL(1);    SDA(1);    DELAY();

SCL(0);    SDA(0);    DELAY();

SCL(1);    SDA(1);    DELAY();

stop();

}
加上 delay 之后的波形 👇
[图片]
[图片]
所以我认为，虽然效果是一样，但是，还是加下好些

2.2、结束代码，有问题例子中，中间波形分析

// 中间
SCL(1); SDA(1); DELAY();

SCL(0); SDA(0); DELAY();

SCL(1); SDA(1); DELAY();
[图片]
[图片]
👆，并不是我之前认为的，SCL(1) 、SDA(1)，波形就同时变高，而是有一个偏移（SDA，向右偏一点）
并且，SCL(1)、SDA(1)，宽度也是不一样的

那么，如果我先设置 SDA 呢？
// 中间
SDA(1); SCL(1); DELAY();

SDA(0); SCL(0); DELAY();

SDA(1); SCL(1); DELAY();
[图片]

[图片]
👆 右图，因为 SDA 提前设置，所以，在 SCL 之前，变低（图中显示，红色在黄色，内部）

但是，之后，第 3 个 SDA(1); SCL(1);，预想中，应该是 SDA 先拉高，SCL 在拉高（可实际上，是 SCL 先拉高）
一种解释，是程序编译的时候，SDA(1); SCL(1); 交换了位置？？？那为什么 SDA(0); SCL(0); 没有交换？
所以，应该不是这个原因
另一种解释：SDA(1)，SDA 拉高的时候，相比于 SCL(1) ，比较耗时，我认为这个是比较合理一点的解释

问下 ChatGPT
你的分析非常到位！让我们一起深入探讨你提出的两个可能的解释：

  1. 程序编译时的代码顺序
    这种解释是比较不太可能的原因。在编译阶段，SDA(1) 和 SCL(1) 的顺序应该是严格按照程序中写的顺序执行的，编译器并不会自动交换这些信号的顺序，除非有特别的宏或硬件抽象层对这些函数做了特殊的处理。所以，SDA(1) 和 SCL(1) 顺序交换的问题，可以排除。
  2. SDA 拉高的耗时问题
    这个解释是比较合理的。
  • SDA 拉高时的时间问题：由于 I2C 总线的物理特性，SDA 线上的信号变化相对较慢，尤其是在高电平拉升时。如果你直接将 SDA 设置为高电平，可能需要一点时间来使 SDA 线达到稳定的高电平状态。而 SCL 线在此时是由外部的时钟拉升的，这意味着如果没有延时，SCL 会很快拉高，但 SDA 可能还没有达到稳定的高电平，导致了信号的不稳定或者错误。
  • SCL 的变化时间较短：SCL 线的状态变化通常由外部时钟控制，所以其变化速度通常比较快。而 SDA 由于是由主设备控制，并且存在内部拉升电阻或者其他电路因素，所以 SDA 的拉高通常会稍微慢一些，尤其是在低电平拉升到高电平时，可能会有延迟。
    为什么 SDA(0); SCL(0); 没有问题？
    当你将 SDA 和 SCL 都拉低时，情况就简单了。因为 I2C 的标准定义在 SDA 和 SCL 都为低电平时，它们处于稳定状态，几乎没有信号的延迟或时序问题。所以 SDA(0); SCL(0); 不会引起问题。
    总结：
    更可能的原因是 SDA 拉高时的时间延迟。 由于 SDA 拉高的过程相较于 SCL 更加耗时，可能会导致在 SDA(1) 和 SCL(1) 同时设置时，SCL 先拉高了，而 SDA 还没有完全稳定。
    3、发送 Send：SDA准备，持续3个delay；SCL 从暴富到破产
    [图片]
    [图片]
  • 1：SDA 准备了
  • 2：SCL，暴富，站起来了（起作用了）
  • 3：SCL，破产，没落了，代表之后不起作用了（虎落平阳被犬欺）
    👆，可以看到，起作用的传输数据，持续了 3 的 delay（准备前、SCL 变高时、SCL 变低时）

4、等待响应 Wait ACK：SCL、SDA 亲亲😘；SCL 从暴富到破产，SDA 控制权转移
[图片]
[图片]

  • 1：SCL、SDA 亲亲😘：SDA 变高，期望跳水；；；SCL 变低，破产，期望暴富，起作用，站起来
  • 2：SCL 高电平，站起来了（起作用了），此时，SDA，已经让出控制权了，然后，观察 SDA
    • SDA：低电平，代表应答
    • SDA：高电平，代表不应答
    • SDA，代表了，主动权
  • 3：SCL，没落了，代表之后不起作用了（虎落平阳被犬欺）

模拟下成功，然后看看波形
模拟的时候，不要开 SDA_IN，会影响波形
static void wait_ack()
{
SDA(1);
SCL(0);
DELAY();

#if MOCK_WAIT_ACK_SUCCESS == 0
// SDA 交出控制权，SDA 变为输入
SDA_IN();
#endif

SCL(1);

#if MOCK_WAIT_ACK_SUCCESS
// 模拟从机，将 SDA 置 1，代表成功响应主机
SDA(0);
#endif
DELAY();

if (RESET == SDA_STATE() || 1 == MOCK_WAIT_ACK_SUCCESS)
{
   // 成功
   SCL(0);
   SDA_OUT();  // SDA 重新获得控制权，SDA 变成输出
}
else
{
   stop();
}

}
最终波形如下 👇
[图片]

[图片]

读
read
rece 和 send 通讯信号都是一样的，但是区别：SDA 的信号来源，来自：从设备
[图片]

发送响应：SCL、SDA 开始：ACK 不亲亲🫸，NACK 亲亲😘；SCL 从暴富到破产；最后都亲亲😘
[图片]
[图片]

最后，I2C_Read(0x01, 0x02, &data, 1);（后面 len 改为 2，可以分析 ACK） 输出波形如下
[图片]

[图片]
[图片]
[图片]
可以看到，接收，只有 1、2 —— 设置，是在 SCL(0) 的时候，设置的

模拟代码如下 👇，1011 0010 = 0xB2，和波形一致
#define MOCK_READ_DATA 1

static uint8_t recv()
{
#if MOCK_READ_DATA == 0
// SDA 交给从设备，主设备，应该是输入状态
SDA_IN();
#endif

#if MOCK_READ_DATA
// 1011 0010 = 0xB2
uint8_t mock_bit_array[8] = {1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0};
#endif

uint8_t data = 0;
for (uint8_t i = 0; i < 8; i++)
{
   // 给机会，给从设备，准备数据
   SCL(0);

#if MOCK_READ_DATA
SDA(mock_bit_array[i]); // <— 设置，是在 SCL(0) 的时候，设置的
#endif
DELAY();

   // 开始设置数据有效性
   SCL(1);

#if MOCK_READ_DATA
data |= mock_bit_array[i] << (7 - i);
#else
data |= SDA_STATE() << (7 - i);
#endif

   DELAY();

   // SCL(0); 因为下一个循环，还是低电平，这里可以省略
}
// 最后一次，是高电平，不会循环回来，所以，要加上低电平，代表 SCL 没落了
SCL(0);

return data;

}

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