I2C Bus(Inter-Integrated Circuit Bus) 最早是由Philips半导体（现被NXP收购）开发的两线时串行总线，常用于微控制器与外设之间的连接。要想了解详细I2C协议，目前最新的I2C标准协议是2014年第6版本，如下：
 I2C-Bus Standards Specification
 
 
硬件连接
 
I2C仅需两根线就可以支持一主多从或者多主连接，I2C使用两个双向开漏线，配合上拉电阻进行连接，关于上拉电阻阻值大小有最大值和最小值的限制，具体计算请参考 I2C-上拉电阻计算
 
SDA:串行数据线
SCL:串行时钟线
 
 
 
 
硬件拉低（Open-Drain Pulling Low）
 
 
下图代表了总线电平拉低过程，当总线要传输低电平’0’时，Logic会控制FET使其导通VBUS总线连接到地，将总线拉低，注意在快速模式下最大的灌电流不超过3mA，这限制了上拉电阻的最小值。
 
 
 
硬件拉高（Open-Drain Releasing Bus）
 
 
下图代表了总线电平高电平过程，当总线要传输高电平’1’时，Logic会控制FET使其关断VBUS总线上拉到电源，将总线拉高。
 
 
 
软件通讯协议
 
I2C是串行传输总线，按照下面格式进行一位一位传输。协议如下：
 
 
 
总线速度
 
双向传输总线：
 
标准模式（Standard-mode）:速率高达100kbit/s
快速模式（Fast-mode）:速率高达400kbit/s
快速模式+（Fast-mode Plus）:速率高达1Mbit/s。
高速模式（High-speed mode）:速率高达3.4Mbit/s
 
单向传输总线：
 
超快速模式（Ultra Fast-mode）:速率高达5Mbit/s
 
 
起始和停止条件及重复起始条件(START and STOP conditions and Repeated start condition)：
 起始和终止条件都是由主机（master）发起产生。总线在起始条件之后处于忙碌状态，在停止条件之后又处于空闲状态。
 
起始条件：SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。
停止条件：SCL线是高电平时，SDA线从低电平向高电平切换。
重复起始条件：和起始条件相似，重复起始条件发生在停止条件之前。主机想继续给从机发送消息时，一个字节传输完成后可以发送重复起始条件，而不是产生停止条件。
 
 
 
字节格式
 SDA数据线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节数量没有限制。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位（MSB)，SDA上的数据必须在SCL高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在SCL低电平时期。
 
 以传输Byte：1010 1010 (0xAAh)为例，SDA SCL传输时序如下所示：
 
 
 
响应ACK（Acknowledge）和非响应NACK（Not Acknowledge）
 每个字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），发送端释放SDA线，接收端把SDA拉低。以上图传输101010101为例，SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA拉低其代表了有ACK响应位。
 当在SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA仍然保持高电平，这种情况定义为NACK非响应位。这种情况下，主机可以直接产生STOP条件终止以后的传输或者继续重新START开始一个新的传输。以下情况会导致出现NACK位：
 
接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何ACK发送给发射机
由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接无法接收或者发送
传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令
接收机无法接收
主机接收完成读取数据后，要发送NACK结束告知从机
 以下图例代表NACK时序：
 
 
 
7-bit 地址格式和读写位
 一个7-bit的地址是从最高位（MSB） 开始发送的，这个地址后面会紧跟1-bit（R/W）的操作符，1表示读操作，0表示写操作。 接下来的一个bit是NACK/ACK，当这个帧中前面8 bit发送完后，接收端的设备获得SDA控制权，此时接收设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK（将SDA拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由master来决定如何处理（stop或repeated start condition）。
 

硬件I2C对应芯片上的I2C外设，有相应I2C驱动电路，其所使用的I2C管脚也是专用的，因而效率要远高于软件模拟的I2C；一般也较为稳定，但是程序较为繁琐。硬件（固件）I2C是直接调用内部寄存器进行配置；而软件I2C是没有寄存器这个概念的。
 
软件I2C一般是使用GPIO管脚，用软件控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序。
 
 
 
例如下面这段I2C的开始和结束信号，我们使用GPIOB模拟：
 
 
 

  I2C接线
 
GPIO引脚
模拟I2C引脚
GPIOB11
SDA
GPIOB12
SCL
                                 
 
                                        
 
                                                                                         I2C开始/结束时序图
 
代码如下：
 
Void I2C_START（void）

{

    GPIOB11 = High；

    GPIOB12 = High；

    Delay();

    GPIOB11 = Low;

    Delay();

    GPIOB12 = Low;

}




Void I2C_STOP（void）

{

    GPIOB11 = Low;

    GPIOB12 = High;

    Delay();

    GPIOB11 = High;

}
 
同样，我们可以按照波形完成读/写一个字节的函数，再进一步封装完成更为复杂的功能（发送指令等等）
 
硬件i2c程序员只要调用i2c的控制函数即可，不用直接的去控制SCL,SDA高低电平的输出。
 
但是有些单片机的硬件i2c不太稳定，调试问题较多。例如网上很多人吐槽的STM32…
 
 
 
主要对比：
 
1.硬件IIC用法比较复杂，模拟IIC的流程更清楚一些。
 
2.硬件IIC速度比模拟快，并且可以用DMA
 
3.模拟IIC可以在任何管脚上，而硬件只能在固定管脚上。
 
 

USB转I2C小工具，支持单字节、多字节读写，支持定时读数据。非常的好用！
 
界面如下：
 
 
设备地址：十六进制输入的设备地址，一般I2C 设备的地址都是7 位+1 位的读写位，这里设备地址就是7 位地址左移一位。也就  是最后一位肯定是0。有些数据手册中会直接写出左移之后的地址。这里需要大家多注意一下。
 寄存器    ：十六进制的寄存器地址（注意:8bit寄存器时填写范围：00~ff。16bit寄存器时填写范围：0000~ffff）
 读取长度：十进制方式输入（输入范围任意）
 读数据    ：点击一次就会读取一次规定数据长度的数据，十六进制显示
 写数据    ：点击一次写数据，工具就会将写入数据框中的数据发送出去。数据框中只能输入十六进制数据
 定时读取：在输入框中输入时间，单位是ms。点击定时读取框后，开始定时读取。
 
支持4种速率：20K、100K、400K、750K
 
下载链接如下：
 
链接：https://pan.baidu.com/s/1uqg4ZBuVH15egxHh2IOMjg

1.写在前面
 
i2c总线是由PHILIPS公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。关于i2c的使用，并不陌生，C51、ARM、MSP430等，都基本集成硬件i2c，或者不集成i2c的，可以根据总线时序图使用普通IO口翻转模拟一根i2c总线。对于当下流行的stm32饱受诟病的硬件i2c，相信很多人都是使用模拟i2c。模拟i2c的源码比较多，大多都是大同小异，对于各类例程，提供的模拟i2c似乎都不是太规范（个人见解），特别是一根i2c总线挂多个外设、模拟多根i2c总线、以及更换一个i2c外设时，都需要大幅度修改源码、复制源码、重新调试时序等重复的工作。在阅读过Linux设备驱动框架和RT-Thread的驱动框架，发现在总线分层上处理就特别好，完美解决了上述提及的问题。参考RT-Thread和Linux下的模拟i2c，整理修改在裸机上使用。
 
2.Linux、RT-Thread设备驱动模型
 
1）模型分为总线驱动和设备驱动；
 
2）  总线驱动与外设驱动分离，方便一根总线挂多个外设，方便移植；
 
3）  底层（与硬件相关）与上层分离，方便添加总线及移植到不同处理器，移植到其他处理器，只需重新实现硬件相关的“寄存器”层即可；
 
 
3.MCU下裸机形式i2c总线抽象
 
此部分实现源码为：i2c_core.c  i2c_core.h
 
1）i2c总线抽象对外接口（API）
 
“i2c_bus_xfer”为i2c封装对外的API，函数原型如下，提供一个函数模型，具体需要实例化函数指针。
 
int i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
	int size;
	
	size = dev->xfer(dev,msgs,num);	
	return size;
}
 
a）此函数即作为驱动外设的对外接口，所有操作通过此函数接口，与底层总线实现分离，如EEPROM、RTC、温度传感器等；
 
b）一个对外函数已经实现90%的情况使用，对应一些特殊情况，后期再完善或增加API。
 
a）struct i2c_dev_device *i2c_dev
 
2）i2c总线抽象API参数
 
a）i2c_dev：i2c设备指针，类型为“struct i2c_dev_device”，驱动一个i2c外设时，首先要对此指针设备初始化；
 
b）msgs：i2c一帧数据，发送数据及存放返回数据的缓存；
 
c）num：数据帧数量。
 
3）struct i2c_dev_device
 
该结构体为关键，调用API驱动外设时，首先对此初始化（类似于Linux/RT-Thread注册设备）。完整的设备包括两部分，数据操作函数和i2c相关信息（如硬件i2c或者模拟i2c）。因此“struct i2c_dev_device”的原型为：
 
struct i2c_dev_device
{
        int (*xfer)(struct i2c_dev_device *dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num);
        void *i2c_phy;
};
 
a）第一个参数是函数指针，数据收发通过此函数指针调用实体函数实现；
 
b）第二个参数是一个void指针，初始化时指向我们使用的物理i2c（硬件/模拟），使用时可强制转换为对应的类型。
 
4）xfer
 
该函数与i2c总线设备对外接口函数“i2c_bus_xfer”具有相同的参数，形参参数参考此项的第2点，初始化时实例化指向实体函数。
 
5）struct i2c_dev_message
 
“struct i2c_dev_message”为i2c总线访问外设的一帧数据信息，包括发送数据、外设从地址、访问标识等。原型如下：
 
struct i2c_dev_message
{
	unsigned short 	addr;
	unsigned short	flags;
	unsigned short	size;
	unsigned char	*buff;
	unsigned char   retries;		
};
 
a）addr：i2c外设从机地址，常用为7位，10位较少用；
 
b）flags：标识，发送、接收、应答、地址位选择等标识；几种标识如下：
 
#define I2C_BUS_WR             0x0000
#define I2C_BUS_RD             (1u << 0)
#define I2C_BUS_ADDR_10BIT     (1u << 2)
#define I2C_BUS_NO_START      (1u << 4)
#define I2C_BUS_IGNORE_NACK    (1u << 5)
#define I2C_BUS_NO_READ_ACK    (1u << 6)
 
c）size：发送的数据大小，或者接收的缓存大小；
 
d）buff：缓存区；
 
e）retries：i2c启动失败时，重启的次数。
 
4.模拟i2c抽象
 
对于模拟i2c，在以往的实现方式中，基本是时序图和外设代码混合在一起，增加外设或者使用新的i2c外设时，需要对模拟2ic代码进行较大工作量的修改，或者以“复制”的方式实现一套新的i2c总线。但同理，可以把模拟i2c时序部分代码抽象出来，以“复用”代码的形式实现。此部分实现源码为：i2c_bitops.c  i2c_bitops.h
 
1）模拟i2c抽象对外接口
 
根据上述封装的对外API，使用时，首先需要实现入口参数“i2c_dev”实例化，用模拟i2c即是调用模拟i2c相关接口。
 
int i2c_bitops_bus_xfer(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned long num)
{
	struct i2c_dev_message *msg;
	unsigned long i;
	unsigned short ignore_nack;
	int ret;
	
	ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;
	i2c_bitops_start(i2c_bus);							
	for (i = 0; i < num; i++)
    	{
		msg = &msgs[i];
       		if (!(msg->flags & I2C_BUS_NO_START))
       		{
            		if (i)
            		{
                		i2c_bitops_restart(i2c_bus);	
            		}
			ret = i2c_bitops_send_address(i2c_bus,msg);
			if ((ret != 0) && !ignore_nack)
				goto out;
		}
		if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
       		{//read
			ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
			if(ret < msg->size)
			{
				ret = -1;
				goto out;
			}
		}
		else
		{//write
			ret = i2c_bitops_bus_write(i2c_bus,msg);
			if(ret < msg->size)
			{
				ret = -1;
				goto out;
			}
		}
	}
	ret = i;
out:
	i2c_bitops_stop(i2c_bus);
		
	return ret;
}
int ops_i2c_bus_xfer(struct i2c_dev_device *i2c_dev,struct i2c_dev_message msgs[],unsigned int num)
{
	return(i2c_bitops_bus_xfer((struct ops_i2c_dev*)(i2c_dev->i2c_phy),msgs,num));
}
 
a）模拟一根i2c总线时，对外的操作函数都通过上诉函数；i2c信息帧相关参数由上层调用传递进入，此处主要增加“struct ops_i2c_dev”的封装；
 
b）该函数使用到的函，其中入口参数为“struct ops_i2c_dev”类型的都是模拟i2c相关；
 
d）模拟i2c封装实现主要针对“struct ops_i2c_dev”原型的实例化。
 
2）struct ops_i2c_dev
 
“struct ops_i2c_dev”原型如下：
 
struct ops_i2c_dev
{
        void (*set_sda)(int8_t state);
        void (*set_scl)(int8_t state);
        int8_t (*get_sda)(void);
        int8_t (*get_scl)(void);
        void (*delayus)(uint32_t us);
};
 
a）set_sda：数据线输出；
 
b）set_scl：时钟线输出；
 
c）get_sda：数据线输入（捕获）；
 
d）get_scl：时钟线输入（捕获）；
 
e）delayus：延时函数；
 
要实现一个模拟i2c，只需将上诉函数指针的实体实现即可，具体看后面描述。
 
3）模拟i2c时序
 
以产生i2c起始信号函数为例子，简要分析：
 
static voidi2c_bitops_start(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
{
    i2c_bus->set_sda(0);                                          
    i2c_bus->delayus(3);
    i2c_bus->set_scl(0);                                                       
}        
 
入口参数为struct ops_i2c_dev *i2c_bus，其实就是i2c_bitops_bus_xfer应用层函数传入的参数，最终是在此调用，底层需要实现的就是io模拟的输入/输出状态函数。
 
其他函数，如
 
static void i2c_bitops_restart(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
static chari2c_bitops_wait_ack(struct ops_i2c_dev *i2c_bus)
static int i2c_bitops_send_byte(struct ops_i2c_dev*i2c_bus,unsigned char data)
 
等等，入口参数都是i2c_bus,时序实现与常规裸机程序设计是一致的，不同的是函数指针的分离调用，具体看附件源码。
 
4）标识位
 
在以往的模拟i2c或者硬件i2c中，操作外设时都有各类情况，如读和写方向的切换、连续操作（不需启动i2c总线，如写EEPROM，先写地址再写数据）等。对于这类情况，我们处理办法是选择相关的宏标识即可，具体实现由“中间层”实现，让i2c外设驱动起来更简单！以上述对外函数为例：
 
a）通过标识位判断是读还是写状态
 
if (msg->flags & I2C_BUS_RD)
{//read
        ret = i2c_bitops_bus_read(i2c_bus,msg);
        if(ret < msg->size)
        {
                ret = -1;
                goto out;
        }
}
 
b）应答状态标识
 
ignore_nack = msg->flags & I2C_BUS_IGNORE_NACK;
 
5）读写函数
 
读写函数最终是通过io口1bit的翻转模拟出时序，从而获得数据，这部分与常规模拟i2c一致，通过函数指针方式操作。主要实现接口函数：
 
static unsigned long i2c_bitops_bus_write(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message *msg);
static unsigned long i2c_bitops_bus_read(struct ops_i2c_dev *i2c_bus,struct i2c_dev_message *msg);
 
5.模拟i2c总线实现
 
此部分实现源码为：i2c_hw.c  i2c_hw.h
 
以stm32f1为硬件平台，采用上述模拟i2c封装，实现一根模拟i2c总线。
 
1）实现struct ops_i2c_dev函数实体
 
除了“delayus”函数外，其余为io翻转，以“set_sda”和“delayus”为例，实现如下：
 
static void gpio_set_sda(int8_t state)
{
        if (state)
                I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;
        else
                I2C1_SDA_PORT->BRR = I2C1_SDA_PIN;
}
 
static void gpio_delayus(uint32_t us)
{
#if 0  
        volatile int32_t i;
	
        for (; us > 0; us--)
        {
                i = 30;  //mini 17
                while(i--);
        }
#else
        Delayus(us);
#endif
}
 
a）为例提高速率，上诉代码采用寄存器方式操作，可以用库函数操作io口；
 
b）延时可以用硬件定时器延时，或者软件延时，具体根据cpu时钟计算；
 
c）其他源码看附件中“i2c_hw.c”
 
2）初始化一根模拟i2c总线
 
void stm32f1xx_i2c_init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;										
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);		

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C1_SDA_PIN | I2C1_SCL_PIN;
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;	   		
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	   		
  	GPIO_Init(I2C1_SDA_PORT, &GPIO_InitStructure);								   				
	I2C1_SDA_PORT->BSRR = I2C1_SDA_PIN;												
	I2C1_SCL_PORT->BSRR = I2C1_SCL_PIN;
	
	//device init
	ops_i2c1_dev.set_sda = gpio_set_sda;
	ops_i2c1_dev.get_sda = gpio_get_sda;
	ops_i2c1_dev.set_scl = gpio_set_scl;
	ops_i2c1_dev.get_scl = gpio_get_scl;
	ops_i2c1_dev.delayus = gpio_delayus;
		
	i2c1_dev.i2c_phy 	 = &ops_i2c1_dev;
	i2c1_dev.xfer 		 = ops_i2c_bus_xfer; 
}
 
a）i2c io初始化；
 
b）i2c设备实例化，其中“ops_i2c1_dev”和“i2c1_dev”即是我们定义的总线设备，后面使用该总线时主要通过“i2c1_dev”实现对底层的调用。
 
6.驱动EEPROM（AT24C16）
 
此部分实现源码为：24clxx.c  24clxx.h
 
上面总线完成后，驱动一个i2c外设可以说就是信手拈来的事情了，而且模拟i2c总线抽象出来后，不需在做重复调试时序的工作。
 
假设初始化的i2c设备为i2c1_dev。
 
1）  写EEPROM。写一个字节，页写算法详细见源码附件（24clxx.c）：
 
char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[1];
     u8	buf[3];
     u8  slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {					  
	  slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
	  buf[0] = (addr >>8)& 0xff;   
	  buf[1] = addr & 0xff;
	  buf[2] = data;
          ee24_msg[0].size  = 3;
     }
     else
     {
          slave_addr = EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
	  buf[0] = addr & 0xff;
	  buf[1] = data;
	  ee24_msg[0].size = 2;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff = buf;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,1);
		
     return 0;
}
 
2）读EEPROM
 
voidee_24clxx_readbytes(u16 read_ddr, char* pbuffer, u16 read_size)
{ 
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8     slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (read_ddr>>8)& 0xff;
          buf[1] = read_ddr& 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (read_ddr>>8);
          buf[0] = read_ddr & 0xff;
          ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[0].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[1].addr  = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_RD;
     ee24_msg[1].buff  = (u8*)pbuffer;
     ee24_msg[1].size  = read_size;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
}
 
3）注意事项
 
驱动一个外设相对容易了，注意的事项就是标识位部分。
 
a）此处外设地址（addr），是实际地址，不含读写位（7bit），比如AT24C16外设地址为0x50，可能大家平常用的是0xA0，因为包括读写位；
 
b）写数据时，如果以2帧i2c_dev_message消息发送，需要注意“I2C_BUS_NO_START”宏，此宏标识意思是不需要再次启动i2c了，一般看i2c外设手册时序图可知道。如写EEPROM是先写地址，然后写数据这个过程是连续的，此时就需用到“I2C_BUS_NO_START”标识。程序可改成这样：
 
char ee_24clxx_writebyte(u16 addr,u8 data)
{
     struct i2c_dev_message ee24_msg[2];
     u8     buf[2];
     u8 slave_addr;
     if(EEPROM_MODEL > 16)
     {                                   
          slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR;
          buf[0] = (addr>>8)& 0xff;  
          buf[1] = addr &0xff;
          ee24_msg[0].size  = 2;
     }
     else
     {
           slave_addr =EE24CLXX_SLAVE_ADDR | (addr>>8);
           buf[0] = addr &0xff;
           ee24_msg[0].size  = 1;
     }
     ee24_msg[0].addr = slave_addr;
     ee24_msg[0].flags = I2C_BUS_WR;
     ee24_msg[0].buff  = buf;
     ee24_msg[1].addr = slave_addr;
     ee24_msg[1].flags = I2C_BUS_WR |I2C_BUS_NO_START;
     ee24_msg[1].buff  = &data;
     ee24_msg[1].size  = 1;
     i2c_bus_xfer(&i2c1_dev,ee24_msg,2);
          
     return 0;
}
 
4）其他
 
理解之后，或者使用过Linux、RT-Thread的驱动框架的，再驱动其他i2c外设，就是很容易的事情了，剩下的就是配置寄存器、应用算法的问题了。
 
7.总结
 
1）整体思路比较易理解，本质就是函数指针，将与硬件底层无关的部分抽象出来，相关联的地方分层明确，通过函数指针的方式进行调用。
 
2）事务分离，通用、重复的事情交给总线处理，特殊任务留给外设驱动。
 
8.相关例子
 
【1】LM75A温度传感器使用：
 
 https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/79140266
 
【2】LP55231 LED驱动使用：
 
https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/78933482
 
9.源码
 
【1】  https://github.com/Prry/drivers-for-mcu
 
10.参考
 
【1】  https://github.com/RT-Thread/rt-thread
 
【2】  https://blog.csdn.net/qq_20553613/article/details/78550427