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一、GPIO 输出模式：推挽 vs 开漏

I²C 总线的物理层核心是开漏输出 + 上拉电阻。理解这两种输出模式，是理解 I²C 电气特性的前提。

1.1 推挽输出（Push-Pull）

结构：由两个 MOS 管（上管 mos1 接 VCC，下管 mos2 接 GND）组成，同一时刻只导通一个。

特点：

• 可以主动输出高电平和低电平，驱动能力强。
• 不能多个设备同时挂在一根线上，否则一个输出高、一个输出低会短路。
• 适用于：单独驱动 LED、蜂鸣器、SPI 的 MOSI/SCLK 等独占型信号。

1.2 开漏输出（Open-Drain）

结构：只有下管 mos2，上管 mos1 永远不导通。

特点：

• 只能主动拉低，无法主动输出高电平。
• 高电平状态需依赖外部上拉电阻将总线拉到 VCC。
• 输出“1”实际上是释放总线（高阻态），输出“0”是拉低。
• 支持“线与”：只要有一个设备拉低，总线就是低；只有全部释放，总线才是高。

1.3 为什么 I²C 必须用开漏？

因为 I²C 是多主多从总线，同一根 SDA/SCL 上可能挂多个设备：

• 如果使用推挽：A 输出高、B 输出低 →电源到地短路，器件烧毁。
• 使用开漏：A 输出高（实际是释放）、B 输出低（拉低）→ 总线被 B 拉低，不会短路，实现“线与”。

上拉电阻典型值4.7kΩ ~ 10kΩ：阻值越小上升沿越快但功耗越大；阻值越大越省电但边沿变缓，高速通信时可能采不到数据。

1.4 电平转换应用

开漏结构还便于电平转换：

• 3.3V 的 chipA 与 5V 的 chipB 共挂 I²C，SDA/SCL 各自上拉到自己的 VCC。
• 任意一方拉低，另一方都能检测到低电平；释放时各自被拉回各自的高电平，天然实现 3.3V↔5V 互通。

二、I²C 通信时序详解

2.1 空闲状态

SCL 和 SDA 均被上拉电阻拉为高电平，总线空闲。

2.2 起始信号（START）

SCL 为高电平时，SDA 由高变低。

此时所有从机检测到起始条件，开始准备接收地址。

2.3 停止信号（STOP）

SCL 为高电平时，SDA 由低变高。

主设备发出，结束本次通信，释放总线。

2.4 数据位传输规则

• MSB 优先：先发最高位 bit7，最后发 bit0。
• SCL 低电平期间：发送方可以改变 SDA 电平（准备数据）。
• SCL 高电平期间：SDA 必须保持稳定，接收方在此时采样。
• 每个字节 = 8 位数据 + 1 位应答 =9 个时钟周期。

2.5 应答位（ACK / NACK）

第 9 个时钟周期，接收方控制 SDA：

2.6 完整写时序帧结构

START → [从机地址7位 + W(0)] → ACK → [寄存器地址8位] → ACK → [数据8位] → ACK → ... → STOP

2.7 完整读时序帧结构

START → [从机地址7位 + W(0)] → ACK → [寄存器地址8位] → ACK → RESTART → [从机地址7位 + R(1)] → ACK → [数据8位] → ACK(主机发) → ... → NACK → STOP

2.8 时序图（以写 0xAC 为例）

┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ ┌──┐ SCL ───┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └──┘ └─── 1 2 3 4 5 6 7 8 9 SDA ──┐ 1 ┌─0─┐ 1 ┌─0─┐ 1 ┌─1─┐ 0 ┌─0─┐ ACK └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ └────── MSB LSB

三、EEPROM 读写代码实现（软件模拟 I²C）

以 AT24C02（7 位地址0xA0>>1 = 0x50）为例，使用 GPIO 软件模拟 I²C。

3.1 宏定义与基础函数

#include"stm32f10x.h"#defineI2C_GPIOGPIOB#defineI2C_SCL_PINGPIO_Pin_6#defineI2C_SDA_PINGPIO_Pin_7#defineSCL_H()GPIO_SetBits(I2C_GPIO,I2C_SCL_PIN)#defineSCL_L()GPIO_ResetBits(I2C_GPIO,I2C_SCL_PIN)#defineSDA_H()GPIO_SetBits(I2C_GPIO,I2C_SDA_PIN)#defineSDA_L()GPIO_ResetBits(I2C_GPIO,I2C_SDA_PIN)#defineSDA_READ()GPIO_ReadInputDataBit(I2C_GPIO,I2C_SDA_PIN)/* 简单延时，适配 100kHz 标准模式 */staticvoidi2c_delay(void){for(volatileinti=0;i<10;i++);}/* 初始化：SCL/SDA 配置为开漏输出 */voidI2C_Init(void){GPIO_InitTypeDef gpio;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);gpio.GPIO_Pin=I2C_SCL_PIN|I2C_SDA_PIN;gpio.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;// ★ 开漏输出gpio.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(I2C_GPIO,&gpio);SCL_H();SDA_H();// 空闲态}

3.2 起始 / 停止信号

/* START: SCL 高时 SDA 下降沿 */voidI2C_Start(void){SDA_H();SCL_H();i2c_delay();SDA_L();// 高电平下拉低 SDAi2c_delay();SCL_L();// 钳住总线，准备发送i2c_delay();}/* STOP: SCL 高时 SDA 上升沿 */voidI2C_Stop(void){SDA_L();SCL_H();i2c_delay();SDA_H();// 高电平下释放 SDAi2c_delay();}

3.3 发送一个字节 + 等待应答

/* 发送 1 字节，返回 0=ACK，1=NACK */uint8_tI2C_SendByte(uint8_tbyte){for(uint8_ti=0;i<8;i++){SCL_L();if(byte&0x80)SDA_H();// MSB 优先elseSDA_L();byte<<=1;i2c_delay();SCL_H();// 高电平期间从机采样i2c_delay();}/* 第 9 个时钟：接收 ACK */SCL_L();SDA_H();// 主机释放 SDAi2c_delay();SCL_H();i2c_delay();uint8_tack=SDA_READ();// 0=ACK, 1=NACKSCL_L();i2c_delay();returnack;}

3.4 读取一个字节 + 发送应答

/* ack=0 主机发 ACK（继续读），ack=1 主机发 NACK（结束读） */uint8_tI2C_ReadByte(uint8_tack){uint8_tbyte=0;SDA_H();// 主机释放 SDA，交给从机驱动for(uint8_ti=0;i<8;i++){SCL_L();i2c_delay();SCL_H();// 高电平期间采样i2c_delay();byte<<=1;if(SDA_READ())byte|=0x01;}/* 第 9 个时钟：主机发 ACK/NACK */SCL_L();if(ack)SDA_H();// NACKelseSDA_L();// ACKi2c_delay();SCL_H();i2c_delay();SCL_L();SDA_H();// 释放总线returnbyte;}

3.5 EEPROM 写一个字节

#defineEEPROM_ADDR0xA0// 7位地址 0x50 左移 1 位 + W=0voidEEPROM_WriteByte(uint8_treg,uint8_tdata){I2C_Start();I2C_SendByte(EEPROM_ADDR|0);// 从机地址 + 写I2C_SendByte(reg);// 寄存器（内存）地址I2C_SendByte(data);// 写入数据I2C_Stop();/* AT24C02 需要 5ms 内部写周期 */for(volatileuint32_ti=0;i<50000;i++);}

3.6 EEPROM 读一个字节

uint8_tEEPROM_ReadByte(uint8_treg){uint8_tdata;/* 第一阶段：假写，定位寄存器地址 */I2C_Start();I2C_SendByte(EEPROM_ADDR|0);// 写I2C_SendByte(reg);/* 第二阶段：RESTART，切换到读 */I2C_Start();// RESTARTI2C_SendByte(EEPROM_ADDR|1);// 读data=I2C_ReadByte(1);// 读 1 字节并回 NACKI2C_Stop();returndata;}

3.7 页写与连续读（进阶）

/* 页写：AT24C02 一页 8 字节，跨页会回卷，注意地址对齐 */voidEEPROM_WritePage(uint8_treg,uint8_t*buf,uint8_tlen){I2C_Start();I2C_SendByte(EEPROM_ADDR|0);I2C_SendByte(reg);for(uint8_ti=0;i<len;i++)I2C_SendByte(buf[i]);I2C_Stop();for(volatileuint32_ti=0;i<50000;i++);}/* 连续读：地址自动递增 */voidEEPROM_ReadSeq(uint8_treg,uint8_t*buf,uint8_tlen){I2C_Start();I2C_SendByte(EEPROM_ADDR|0);I2C_SendByte(reg);I2C_Start();I2C_SendByte(EEPROM_ADDR|1);for(uint8_ti=0;i<len;i++){uint8_tack=(i==len-1)?1:0;// 最后一个 NACKbuf[i]=I2C_ReadByte(ack);}I2C_Stop();}

四、工程调试要点

五、总结

1. 物理层：开漏 + 上拉 → 线与逻辑 → 多设备安全共存，且天然支持电平转换。
2. 协议层：START/STOP 由 SCL 高电平期间 SDA 跳变产生；数据 SCL 高时采样、低时改变；每字节跟随一位 ACK/NACK。
3. 代码层：软件模拟的关键是**严格按“SCL 低改变 SDA，SCL 高采样 SDA”**的顺序，起始、停止、ACK 三步最易写错。
4. 读取 EEPROM必须使用RESTART而不是 STOP，才能保持对同一从机的连续操作。

掌握上面这三点（推挽/开漏电气基础、时序规则、代码实现），就能独立完成绝大多数 I²C 外设（EEPROM、SHT30、MPU6050、OLED 等）的驱动开发。