基于 STM32F103 软件模拟 I2C 的纯粹 C 语言面向对象尝试

前言

最近也是秋招收到 offer 了，嵌软方向，本地企业，于是闲的没事干在学校开摆，顺便提升下代码水平。

于是首当其冲的就是指针和面向对象思维，emmmm 怎么说呢，这方面蛮薄弱的，于是刚学了一点结构体指针的皮毛，结合之前比赛因为用了许多 I2C 设备而多次反复的初始化 GPIO 口的麻烦，尝试了下把 I2C 面向对象化，顺便复习下 I2C。

1. 面向对象核心思想和 C 语言的实现

众所周知，向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP）是一种通过抽象和封装来提高代码复用性和可维护性的编程范式，但是 C 语言他原生是面向过程语言，并未向 Python 和 Java 那样原生支持面向对象的特性。

C 语言的精髓和核心是指针，通过指针直接操作内存，可以实现很多骚操作；加上 C 语言的 struct 结构体，以及 typedef 自定义类型，从而实现模拟类和对象；又因结构体支持结构体的嵌套，因此可以实现基于嵌套意义的类和方法继承；进而实现面向对象的思想和全部功能。

1-1. 面向对象的核心思想

面向对象编程的核心包括以下几方面：

• 封装：将数据和操作封装到单一的模块中，对外仅暴露接口，隐藏实现细节。

• 继承：通过复用已有模块的属性和方法来实现扩展，避免重复代码。

• 多态：基于对象类型的不同，动态调用合适的方法。

1-2. 在 C 语言中模拟面向对象的方法

虽然 C 语言本身不支持类和对象，但可以通过结构体和函数指针模拟这些特性：

但由于 C 是为面向过程设计的，本质上仍然是面向过程的语言，因此类方法必须严格按照面向过程的顺序。

• 结构体实现封装
  结构体（struct）是 C 语言中组织数据的核心工具。可以在结构体中包含数据和函数指针，从而将操作封装为模块化的对象。

• 函数指针实现多态
  通过在结构体中嵌入函数指针，可以动态绑定不同对象的行为。例如，不同设备可以通过函数指针调用各自的初始化和操作方法。

• 嵌套结构体模拟继承
  使用嵌套的方式，使一个结构体拥有另一个结构体的成员，达到继承属性和方法的效果。

2. I2C——Inter-Integrated Circuit 集成电路总线

2.1. I2C 总线特性

I2C 是一种广泛应用于嵌入式系统的串行通信协议，采用主从结构，通过两线完成数据传输。

• 两线结构：SCL 时钟、SDA 数据。

• 通讯可靠：通过应答信号（ACK/NACK）确认每次数据传输的成功

• 开漏模式：需要手动 / 外部上拉，实现多设备同步半双攻。

2.2. I2C 通讯基本过程

1. 启动条件（Start）：主机拉低 SDA 并拉高 SCL。
2. 地址传输：主机发送从设备地址，等待应答。
3. 数据读写：按字节传输数据，每字节后需要应答信号。
4. 停止条件（Stop）：主机拉低 SCL 后拉高 SDA。

3. 代码实现

#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__

#include "stm32f10x.h"

typedef struct SoftI2C_t{
    GPIO_TypeDef *SCL_Port;     /* SCL 引脚的 GPIO 端口 */
    uint16_t     SCL_Pin;       /* SCL 引脚的 GPIO 引脚编号 */
    GPIO_TypeDef *SDA_Port;     /* SDA 引脚的 GPIO 端口 */
    uint16_t     SDA_Pin;       /* SDA 引脚的 GPIO 引脚编号 */
    uint32_t     Delay;         /* 延时参数，用于控制时序 */

    /* 各种 I2C 操作函数的指针 */
    void(*Start)(struct SoftI2C_t *self);
    void(*Stop)(struct SoftI2C_t *self);
    uint8_t(*WriteByte)(struct SoftI2C_t *self, uint8_t byte);
    uint8_t(*ReadByte)(struct SoftI2C_t *self, uint8_t ack);

} SoftI2C_t;

void SoftI2C_Init(SoftI2C_t *self);  /* 初始化 I2C */

#endif

#include "I2C.h"

/* 定义 GPIO 引脚操作 */
#define SCL_HIGH(self) GPIO_SetBits((self)->SCL_Port, (self)->SCL_Pin)
#define SCL_LOW(self)  GPIO_ResetBits((self)->SCL_Port, (self)->SCL_Pin)
#define SDA_HIGH(self) GPIO_SetBits((self)->SDA_Port, (self)->SDA_Pin)
#define SDA_LOW(self)  GPIO_ResetBits((self)->SDA_Port, (self)->SDA_Pin)
#define SDA_READ(self) GPIO_ReadInputDataBit((self)->SDA_Port, (self)->SDA_Pin)

/* SysTick 内核延迟 */
static void _SoftI2C_Delay(SoftI2C_t *self)
{
    if (!self->Delay){
        
        return ;
    }
    SysTick->LOAD = 72 * (self->Delay);		/* 设置定时器重装值 */
	SysTick->VAL = 0x00;					/* 清空当前计数值 */
	SysTick->CTRL = 0x00000005;				/* 设置时钟源为 HCLK，启动定时器 */
	while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000));	/* 等待计数到 0 */
	SysTick->CTRL = 0x00000004;				/* 关闭定时器 */
}

static void _SoftI2C_GPIO_Init(SoftI2C_t *self)
{

    if (self->SCL_Port == GPIOB || self->SDA_Port == GPIOB) {
        
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    }
    if (self->SCL_Port == GPIOA || self->SDA_Port == GPIOA) {
        
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    }

    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = self->SCL_Pin;
    GPIO_Init(self->SCL_Port, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = self->SDA_Pin;
    GPIO_Init(self->SDA_Port, &GPIO_InitStructure);


    SDA_HIGH(self);
    SCL_HIGH(self);
}
static void SoftI2C_Start(SoftI2C_t *self)
{
    SDA_HIGH(self);
    SCL_HIGH(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
    SDA_LOW(self);
    _SoftI2C_Delay(self); 
    SCL_LOW(self);  
}

static void SoftI2C_Stop(SoftI2C_t *self)
{
    SCL_LOW(self);
    SDA_LOW(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
    SCL_HIGH(self);
    SDA_HIGH(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
}

static uint8_t SoftI2C_WriteByte(SoftI2C_t *self, uint8_t byte)
{
    uint8_t ack = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        if (byte & 0x80) {
            
            SDA_HIGH(self);
        } else {
            SDA_LOW(self);
        }
        
        byte <<= 1;
        SCL_HIGH(self);
        _SoftI2C_Delay(self);
        SCL_LOW(self);
        _SoftI2C_Delay(self);
    }

    // 等待 ACK 响应
    SDA_HIGH(self);
    SCL_HIGH(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
    ack = !SDA_READ(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
    SCL_LOW(self);

    return ack;
}


static uint8_t SoftI2C_ReadByte(SoftI2C_t *self, uint8_t ack)
{
    uint8_t byte = 0;
    SDA_HIGH(self);
    
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++){
        byte <<= 1;
        SCL_HIGH(self);
        _SoftI2C_Delay(self);
        
        if (SDA_READ(self)){
            
            byte |= 0x01;
        }
        SCL_LOW(self);
        _SoftI2C_Delay(self);
    }
    
    if (ack){
        
        SDA_LOW(self);
    }else{
        SDA_HIGH(self);
    }
    
    SCL_HIGH(self);
    _SoftI2C_Delay(self);
    SCL_LOW(self);
    SDA_HIGH(self);
    
    return byte;
}

/* 定义构造函数 */
void SoftI2C_Init(SoftI2C_t *self)
{
    _SoftI2C_GPIO_Init(self); 

    self->Start     = SoftI2C_Start;
    self->Stop      = SoftI2C_Stop;
    self->WriteByte = SoftI2C_WriteByte;
    self->ReadByte  = SoftI2C_ReadByte;
}