软件IIC和硬件IIC的主要区别,用标准库举例!

news2025/3/12 6:15:05

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在学习iic的时候，我们经常会遇到软件 I²C和硬件 I²C,它两到底有什么区别呢？

软件 I²C（模拟 I²C）和硬件 I²C（外设 I²C）是两种实现 I²C 总线通信的方式，核心区别在于 是否依赖微控制器（MCU）内置的硬件 I²C 外设。以下是详细对比及标准库（以 STM32 标准外设库为例）的实现差异：

1. 核心区别

特性	软件 I²C	硬件 I²C
实现方式	通过 GPIO 引脚模拟 I²C 时序（软件控制）	使用 MCU 内置的硬件 I²C 外设（硬件控制）
CPU 占用	高（需 CPU 持续操作 GPIO）	低（硬件自动完成时序，CPU 可处理其他任务）
时序精度	依赖软件延时，精度较低	由硬件时钟控制，精度高且稳定
开发复杂度	简单（无需配置复杂寄存器）	复杂（需初始化外设、处理中断/DMA）
灵活性	高（可适配任意 GPIO 引脚）	低（必须使用硬件 I²C 外设的固定引脚）
速度	较慢（受限于软件延时）	较快（支持标准模式 100kHz、快速模式 400kHz+）
兼容性	通用性强（可适配不同 MCU）	依赖具体 MCU 的硬件支持

2. 标准库实现对比（以 STM32F1 标准外设库为例）

(1) 硬件 I²C 实现

硬件 I²C 使用 STM32 内置的 I²C 外设，需配置时钟、引脚复用、中断/DMA 等。

代码示例：初始化硬件 I²C1（标准模式，100kHz）

#include "stm32f10x_i2c.h"

void I2C_Hardware_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;

    // 使能时钟（I2C1 和 GPIOB）
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置 GPIOB6 (SCL) 和 GPIOB7 (SDA) 为复用开漏模式
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; // 复用开漏
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

    // 配置 I2C1
    I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; // 占空比 16:9
    I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0xA0;          // 主机地址（可忽略）
    I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;        // 启用应答
    I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 100000;         // 100kHz
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct);

    // 启用 I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

// 发送数据函数（需处理状态标志和中断）
void I2C_WriteByte(uint8_t devAddr, uint8_t regAddr, uint8_t data) {
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));

    I2C_Send7bitAddress(I2C1, devAddr, I2C_Direction_Transmitter);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));

    I2C_SendData(I2C1, regAddr);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    I2C_SendData(I2C1, data);
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));

    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

(2) 软件 I²C 实现

通过 GPIO 手动控制 SCL 和 SDA 引脚电平，模拟 I²C 时序。

代码示例：模拟 I²C 时序（使用 GPIOB8 和 GPIOB9）

#include "stm32f10x_gpio.h"

// 定义 SCL 和 SDA 引脚
#define SOFT_I2C_SCL_PIN    GPIO_Pin_8
#define SOFT_I2C_SDA_PIN    GPIO_Pin_9
#define SOFT_I2C_PORT       GPIOB

// 初始化 GPIO
void Soft_I2C_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置 SCL 和 SDA 为开漏输出模式
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = SOFT_I2C_SCL_PIN | SOFT_I2C_SDA_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; // 开漏输出
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SOFT_I2C_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // 初始拉高 SCL 和 SDA
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
}

// 微秒级延时函数（需根据实际时钟调整）
void Delay_us(uint32_t us) {
    us *= 72; // 假设主频为 72MHz
    while (us--) __NOP();
}

// 发送起始信号
void Soft_I2C_Start(void) {
    GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
    Delay_us(5);
    GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
}

// 发送停止信号
void Soft_I2C_Stop(void) {
    GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
    Delay_us(5);
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
    Delay_us(5);
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
}

// 发送一个字节
void Soft_I2C_WriteByte(uint8_t data) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (data & 0x80) {
            GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
        } else {
            GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
        }
        Delay_us(2);
        GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
        Delay_us(5);
        GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
        data <<= 1;
    }
    // 等待从机应答（省略应答检查）
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SDA_PIN);
    Delay_us(2);
    GPIO_SetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
    Delay_us(5);
    GPIO_ResetBits(SOFT_I2C_PORT, SOFT_I2C_SCL_PIN);
}

3. 适用场景

场景	推荐方式	原因
高速通信（>100kHz）	硬件 I²C	依赖硬件时序精度，避免软件延时误差
多任务系统	硬件 I²C	减少 CPU 占用，支持 DMA/中断
引脚资源紧张	硬件 I²C	必须使用固定引脚，避免浪费 GPIO
适配非标准 I²C 设备	软件 I²C	可灵活调整时序（如长延时、非标准协议）
硬件 I²C 外设不可用	软件 I²C	解决硬件资源冲突或兼容性问题