很多人不知道怎么看著時序圖寫程序，下面結合一個非標準的I2C器件，教大家如何寫一個高效的IO模擬I2C時序。

觀察該時序，具備I2C的開始信號，I2C的結束信號，I2C的應答、非應答、響應應答，以及寫字節和讀字節的基本操作時序。

下面，我們一步一步分析。

1、I2C開始信號

觀察時序圖，在SCLK高電平的狀態下，在SDIO產生一個下降沿是為開始信號。

void I2C_Start()
{
  //設置I2C使用的兩個引腳為輸出模式
  pinMode(SCLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);


  //在SCL為高電平的時候讓SDA產生一個下降沿是為開始信號
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
}

上述代碼即先將兩個引腳設置為輸出模式，然后在SCLK為高電平的時候在SDIO引腳輸出一個下降沿。

2、I2C停止信號

觀察時序圖，在SCLK為高電平的時候在SDIO引腳產生一個上升沿是為停止信號。

void I2C_Stop()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //在SCL為高電平的時候讓SDA產生一個上升沿是為停止信號
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
}

這里采用的是Arduino編寫的IO基本操作，你可以替換成任意單片機的IO操作。

由于整個過程SCLK引腳一直是輸出狀態，所以僅在開始信號中對SCLK初始化為輸出模式，而過程中可能會修改SDIO的輸入輸出模式，所以其他的函數開頭都要根據情況對SDIO引腳的模式進行設置。

通過三行代碼實現在SCLK為高電平的時候在SDIO產生一個上升沿，實現停止信號。

3、寫字節操作

接下來，按照時序的順序編寫方便認讀

I2C的讀寫字節是這么定義的：當時鐘線為低電平的時候，允許修改數據線的電平狀態，在時鐘線為高電平的時候讀取數據線的狀態。

因為是寫操作，因此我們要先將時鐘線SCLK拉低，再修改SDIO的值，然后拉高時鐘。拉高后，從機就會從總線上讀取SDIO的狀態，接著一位一位的這么發送。

void I2C_Write(uint8_t dat)
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //拉低時鐘線后可修改數據線的狀態
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0); 
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SDIO_PIN, (bool)(dat&0x80)); 
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//在高電平時候送出數據
    dat=dat<<1;
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低準備下一個位的數據發送
  }
}

上述代碼正描述了這一情況：為了保證最后是低電平，這里將SCLK的第一次拉低放到循環外面，這樣可以用最少的執行次數完成一個字節的寫任務；同時，結束完一個字節寫入后時鐘線是低電平狀態（時序圖中寫入的第一個字節為DeviceID，第二個字節為寄存器地址+讀寫位）。

寫完一個字節后，從機會對寫入事件進行應答，這個時候主級可以從總線上讀取應答信號。

4、讀取從機應答引號

應答信號在寫入完一個字節后的低電平后由從機送出，在時鐘為高電平的時候可以讀取出來，我們注意到寫入自己操作后時鐘線已經是低電平了，因此這個時候

只要拉高時鐘線，接下來就可以讀取應答信號，讀取完應答信號根據時序圖應該拉低時鐘準備下一個字節的寫入。

bool I2C_RACK()
{
  bool ack;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);


  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//接收應答信號，當時鐘拉高時候，從機送出應答信號
  ack = digitalRead(SDIO_PIN);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//讀取完應答信號后拉低時鐘。
  return ack;
}

如上代碼所示，即為接收從機應答，拉高時鐘，讀取應答，再拉低，返回應答。如果從機應答了，這里會讀取到一個低電平。

后面就是再寫入一個寄存器+讀寫位的地址，參靠上面的寫入操作。

寫入寄存器地址后，緊跟著又一個接收從機應答信號，然后從機就會送出數據，送出的數據分高字節和低字節，高低字節間要有一個主機發送給從機的應答信號，這樣從機酒知道主機收到了數據，就會送出后面的低字節數據。

5、讀字節操作

注意，前面說過，讀寫都是總線在時鐘低電平時候修改數據線，在高電平送出。

因此，主機讀取從機送來的數據仍然是在高電平時候讀取。

uint8_t I2C_Read()
{
  uint8_t dat=0;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//讀取數據時候是在時鐘的高電平狀態讀取
    dat=dat<<1;
    if(digitalRead(SDIO_PIN))
    {
      dat=dat|1;
    }
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低時鐘線準備下一個位的讀取
  }
  return dat;
}

操作過程是將SDIO數據線的IO設置為輸入模式，準備讀取，然后拉高時鐘，讀取數據，移位，拉低循環讀取8位數據。

注意，操作完一個字節讀取任務后，時鐘線還是低電平。

讀取完一個字節后，主機要給從機發送一個應答信號，這樣從機會接著發低字節數據。

6、主機發送應答信號給從機

void I2C_ACK()
{
pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(SDIO_PIN, 0);//給從機發送應答信號，即拉低數據線，然后拉高時鐘讓從機讀取該應答
digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//執行完應答后拉低時鐘線，準備下一步動作。
}

拉低數據線，然后在高電平的時候讓從機去讀取，之后拉低時鐘線準備下一步接收動作。

當再接收一個字節后，就讀取完成了，這個時候就是產生一個非應答信號，然后發給總線結束信號，告訴從機一個讀寫周期結束了。

7、主機非應答信號

什么是非應答信號呢？

就是接收完了數據，釋放數據線，不去拉低數據線。

void I2C_NACK()
{
  //非應答信號：即主機不再對從機進行應答，主機釋放數據線，即拉高數據線，然后給時鐘一個周期信號（拉高再拉低）
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);
}

將SDIO引腳設置為輸出，拉高數據線，即為釋放數據線，然后拉高拉低時鐘，即在時鐘線產生一個時鐘周期信號。

然后發送結束信號。結束信號在開頭已經講明，即在時鐘線為高電平的狀態下，在數據線產生一個上升沿。

觀察以上代碼沒一個多余重復的操作動作，即完美的視線了時序圖上的所有操作。

接下來就是利用上述的I2C成分進行對寄存器的讀寫操作了。

8、讀寄存器

由于圖中設備的DeviceID 為0x80，即直接寫進來，從機判斷是讀還是寫的字節在寄存器地址。

因此，將寄存器的地址左移一位，在末尾補上是讀（1）還是寫（0）。

uint16_t read_reg(uint8_t reg)
{
  uint16_t dat=0;
  reg=(reg<<1)|1;
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  dat=I2C_Read();
  dat=dat<<8;
  I2C_ACK();
  dat=dat|I2C_Read();
  I2C_NACK(); 
  I2C_Stop();
  return dat;
}

9、寫寄存器操作

void write_reg(uint8_t reg, uint16_t dat)
{
  reg=(reg<<1);
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat>>8);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat&0xFF);
  I2C_NACK();
  I2C_Stop();
}

最后，對寄存器讀寫函數測試。

void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello I2C");
  write_reg(0x02,0x2250);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
  write_reg(0x02,0x2281);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
}


void loop() 
{


}

讀取的數值與寫入的是一樣的。

最后曬出完整的測試代碼：

#define SCLK_PIN 8
#define SDIO_PIN 9




void I2C_Start()
{
  //設置I2C使用的兩個引腳為輸出模式
  pinMode(SCLK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);


  //在SCL為高電平的時候讓SDA產生一個下降沿是為開始信號
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
}


void I2C_Stop()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //在SCL為高電平的時候讓SDA產生一個上升沿是為停止信號
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
}


void I2C_Write(uint8_t dat)
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  //拉低時鐘線后可修改數據線的狀態
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0); 
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SDIO_PIN, (bool)(dat&0x80)); 
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//在高電平時候送出數據
    dat=dat<<1;
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低準備下一個位的數據發送
  }
}


uint8_t I2C_Read()
{
  uint8_t dat=0;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);
  for(int i=0;i<8;i++)
  {
    digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//讀取數據時候是在時鐘的高電平狀態讀取
    dat=dat<<1;
    if(digitalRead(SDIO_PIN))
    {
      dat=dat|1;
    }
    digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//拉低時鐘線準備下一個位的讀取
  }
  return dat;
}




bool I2C_RACK()
{
  bool ack;
  pinMode(SDIO_PIN, INPUT);


  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);//接收應答信號，當時鐘拉高時候，從機送出應答信號
  ack = digitalRead(SDIO_PIN);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//讀取完應答信號后拉低時鐘。
  return ack;
}


void I2C_ACK()
{
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 0);//給從機發送應答信號，即拉低數據線，然后拉高時鐘讓從機讀取該應答
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);//執行完應答后拉低時鐘線，準備下一步動作。
}


void I2C_NACK()
{
  //非應答信號：即主機不再對從機進行應答，主機釋放數據線，即拉高數據線，然后給時鐘一個周期信號（拉高再拉低）
  pinMode(SDIO_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(SDIO_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 1);
  digitalWrite(SCLK_PIN, 0);
}


uint16_t read_reg(uint8_t reg)
{
  uint16_t dat=0;
  reg=(reg<<1)|1;
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  dat=I2C_Read();
  dat=dat<<8;
  I2C_ACK();
  dat=dat|I2C_Read();
  I2C_NACK(); 
  I2C_Stop();
  return dat;
}


void write_reg(uint8_t reg, uint16_t dat)
{
  reg=(reg<<1);
  I2C_Start();
  I2C_Write(0x80);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(reg);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat>>8);
  I2C_RACK();
  I2C_Write(dat&0xFF);
  I2C_NACK();
  I2C_Stop();
}




void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Hello I2C");
  write_reg(0x02,0x2250);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
  write_reg(0x02,0x2281);
  Serial.println(read_reg(0x02),HEX);
}


void loop() 
{


}

看完這篇文章，你學會純手工擼IO模擬I2C時序的代碼了嗎？

審核編輯：黃飛