软件 I2C：用 GPIO 敲出一条总线

2026-09-16 实测验证：洋桃 1 号开发板（STM32F103C8T6），100_SOFT_I2C_OLED 模块。PB6/PB7 两个 GPIO 位敲 I2C 时序点亮 OLED，Keil 命令行编译、CubeProgrammer CLI SWD 烧录，Download verified successfully。

#一、硬件 I2C vs 软件 I2C：先讲清为什么"自己敲"

洋桃例程的 Basic\i2c\ 目录里并存着两套 I2C 实现，正好是教科书级的对照组：

结论很直接：F103 上宁可牺牲一点 CPU，也要换时序的完全可控。本模块用的就是软件 I2C——引脚 SCL=PB6、SDA=PB7（与硬件 I2C1 复用相同引脚，硬件坏了随时可以无缝切到软件方案）。

#二、I2C 时序三规则

软件 I2C 的全部工作，就是用代码维护三条总线规则：

1. SCL 低电平时，SDA 才允许变化——数据在时钟的低电平段"换挡"；
2. SCL 高电平期间，SDA 必须保持稳定——这是接收方的采样窗口，高电平段数据动了就会被当成起始/停止信号，总线直接乱套；
3. START 与 STOP 是仅有的两个例外：

• START：SCL 高电平时，SDA 从高 → 低（总线上的所有设备都会注意到"要开始说话了"）；
• STOP：SCL 高电平时，SDA 从低 → 高（"说完了，总线释放"）。

所有普通数据位的时序都是规则 1、2 的循环，唯独起止信号借"高电平段跳变"这个例外表达特殊含义——这就是 I2C 协议的骨架。

#三、应答位：每 8 位之后的第 9 个时钟

I2C 以 8 位为一个传输单元，每个字节之后跟第 9 个时钟的应答位（ACK）：

• 发送方在这第 9 个时钟把 SDA 交出来（主机切 SDA 为输入）；
• 接收方把 SDA 拉低表示"收到了"（ACK）；SDA 保持高就是 NACK；
• 主机看完应答再继续下一字节或发 STOP。

一句话：I2C 的可靠不靠校验码，就靠这"每说 8 位停下来听一耳朵"的机制。

#四、方向切换宏：一根 SDA 两种身份

SDA 要在"输出"和"输入"之间反复切换（发数据时输出、听应答时输入），io_i2c.h 里用两个宏直接改 CRL 寄存器（PB7 是 CRL 的最高 4 位）：

c/* SDA 切输出：推挽输出，50MHz */
#define VL2_SDA_OUT() { GPIOB->CRL &= 0X0FFFFFFF; GPIOB->CRL |= 3u << 28; }

/* SDA 切输入：上拉输入 */
#define VL2_SDA_IN()  { GPIOB->CRL &= 0X0FFFFFFF; GPIOB->CRL |= 8u << 28; }

• 3u << 28：MODE=11（50MHz）+ CNF=00（通用推挽输出）；
• 8u << 28：MODE=00（输入）+ CNF=10（上拉输入）；
• 先 &= 0X0FFFFFFF 清掉低半字节的旧配置，再 |= 写入新配置——读-改-写的标准手法。

#五、为什么可以不加 2.2K 上拉

标准 I2C 规范要求 SDA/SCL 开漏输出 + 外部上拉电阻（常见 2.2K~4.7K）：开漏只能拉低不能拉高，高电平靠电阻"回"上去。

本驱动的做法不同：推挽输出主动驱动高、低两个电平，高电平由引脚自己顶上去，不需要电阻回高，所以两根线上不加 2.2K 上拉也能跑。

代价也要说清：推挽是硬驱动，若总线上两个设备同时一个推高一个拉低，就是电源对地的电流冲突。所以这个"免上拉"方案只适合单主机 + 严格的方向切换场景（任何时候只有一个推挽在驱动总线）——本例一块 MCU 点一块 OLED，完全够用；要挂多从设备、多主机，老老实实回开漏 + 上拉的标准接法。

#六、速度：4?s 一拍，约 100kHz

io_i2c.h 里 VL2_SPEED = 2，对应每个时序步进之间 delay_us(4)——半个时钟沿 4?s，一个时钟周期约 8~10?s，折算下来约 100kHz，正好是 I2C 标准模式（Standard-mode）的速率档。

调速规律：值越小 → 每拍延时越短 → 总线越快，但留给信号稳定的时间越少，越不稳。调这个参数就是"速度 vs 余量"的权衡，杜洋给的经验值 2 是稳定优先的选择。

#七、固件验证链：从改一行码到 Download verified successfully

这次改造顺手把"改码 → 确认进固件 → 烧录验证"整条链走成了流水线，每一步都有客观证据：

1. Edit 改码：修改 io_i2c 相关代码（GBK 编码源码，编辑时保编码）；
2. PowerShell Select-String 验证改动落盘：替换/修改后立即把文件读回来搜关键行，确认新代码真的在文件里——注意本站的 Grep 工具对 GBK 文件会报 stream did not contain valid UTF-8，改用 PowerShell 的 Select-String 按 GBK 语义处理；
3. Keil 命令行编译：D:\Keil_v5\UV4\UV4.exe -b 工程.uvproj -j0 -o build.log，检查退出码 exit 0、日志 0 Error 0 Warning；
4. axf 搜串确认：在生成的 .axf 二进制里以 ASCII 搜刚改的字符串——搜到了才证明新代码真的进了固件（hex 文件里搜不到是正常的，hex 是十六进制编码的记录文本，明文根本不在里面）；
5. hex 拷暂存目录：拷到纯 ASCII 路径，规避工具链对中文路径的不兼容；
6. CubeProgrammer CLI 烧录：

powershellSTM32_Programmer_CLI -c port=SWD -w 固件.hex -v -rst

-v 校验、-rst 烧完复位，看到 Download verified successfully 即为完整闭环。

这条链的价值和《定时器与中断》里的教训一脉相承：补丁要验证落盘、烧录要验证固件、别在 hex 里搜明文——每一步都拿证据说话。

#八、小结

• 软件 I2C = 两个 GPIO + 三条时序规则 + 第 9 个时钟听应答，牺牲 CPU 换引脚自由与时序可控；
• F103 硬件 I2C 出名易翻车，PB6/PB7 软件实现反而是更稳的选择；
• 推挽主动驱动可以省掉上拉电阻，但只适合单主机 + 严格方向切换；
• VL2_SPEED=2（每步 4?s）约 100kHz 标准档，参数越小越快越不稳；
• 这条软件 I2C 总线点亮的第一块屏，就是《OLED 显示与汉字取模：让"韶华实验室"上屏》里那五个 16×16 汉字。

#九、相关阅读

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• 定时器与中断：1 秒心跳与五阶段状态机
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