嵌入式实战 BSP驱动

软件 I2C + AT24C02 EEPROM：BSP 驱动的分层设计与时序实现

EEPROM 驱动是展示 BSP 层设计原则的绝佳案例。它包含三个层次：比特级时序（软件 I2C）、芯片级协议（AT24C02）、模块级接口（bsp_eeprom）。上层只看到一个读/写/初始化三个函数的统一接口。

第一层：软件 I2C Bit-Bang

PA11(SDA) / PA12(SCL)，开漏输出，100kHz 软件时序。核心是一个 5μs 的延时循环：

// 72 MHz → 360 个空转 ≈ 5 μs → ~100 kHz SCL
#define SOFT_I2C_HALF_PERIOD_TICKS 360U

static void soft_i2c_delay(void) {
    volatile uint32_t i = SOFT_I2C_HALF_PERIOD_TICKS;
    while (i > 0U) { i--; }
}

原语	代码	说明
START	SDA 下降沿（SCL 高时）	i2c_start()
STOP	SDA 上升沿（SCL 高时）	i2c_stop()
写字节	MSB first，每位移完后拉高 SCL	i2c_write_byte()
读字节	释放 SDA，每位移入，SCL 脉冲	i2c_read_byte(ack)
ACK 检测	写完后释放 SDA，读第 9 个 SCL 脉冲的电平	i2c_write_byte 返回值

// START 条件：SDA 在 SCL 高时拉低
static void i2c_start(void) {
    sda_set();                    // SDA 拉高
    scl_set();                    // SCL 拉高
    soft_i2c_delay();
    sda_clr();                    // SDA 拉低（START）
    soft_i2c_delay();
    scl_clr();                    // SCL 拉低（准备传输）
}

// 写一个字节，返回 ACK（0=应答，1=无应答）
static uint8_t i2c_write_byte(uint8_t byte) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if ((byte & 0x80U) != 0U) sda_set();
        else                      sda_clr();
        scl_set();                // SCL 高 → 从机采样
        soft_i2c_delay();
        scl_clr();                // SCL 低 → 准备下一位
        byte = (uint8_t)(byte << 1U);
    }
    sda_set();                    // 释放 SDA，从机发 ACK
    scl_set();
    uint8_t ack = (sda_read() == GPIO_PIN_RESET) ? 0U : 1U;
    scl_clr();
    return ack;
}

第二层：AT24C02 协议接入

AT24C02 的设备地址固定为 0xA0（写）/ 0xA1（读）。256 字节容量，地址用 8 位，页写入粒度 8 字节：

// 随机读取：START + 写地址 + 寄存器地址 + START + 读地址 + 读数据 + STOP
static uint8_t soft_iic_read(uint8_t addr, uint8_t reg,
                              uint8_t *buf, uint16_t len) {
    i2c_start();
    if (i2c_write_byte(addr) != 0U) { i2c_stop(); return 1U; }  // 设备地址
    if (i2c_write_byte(reg) != 0U)  { i2c_stop(); return 1U; }  // 寄存器地址
    i2c_start();                     // 重复 START
    if (i2c_write_byte(addr | 0x01U) != 0U) { i2c_stop(); return 1U; }  // 读地址
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        buf[i] = i2c_read_byte((i < len - 1) ? 1U : 0U);  // 最后一字节 NACK
    }
    i2c_stop();
    return 0U;
}

第三层：bsp_eeprom 统一接口

typedef enum {
    BSP_EEPROM_STATUS_OK           = 0,
    BSP_EEPROM_STATUS_ERROR        = 1,
    BSP_EEPROM_STATUS_INVALID_ARG  = 2,
    BSP_EEPROM_STATUS_NOT_READY    = 3,
    BSP_EEPROM_STATUS_OUT_OF_RANGE = 4
} bsp_eeprom_status_t;

bsp_eeprom_status_t bsp_eeprom_init(void);
bsp_eeprom_status_t bsp_eeprom_deinit(void);
bsp_eeprom_status_t bsp_eeprom_read(uint16_t address, uint8_t *buf, uint16_t len);
bsp_eeprom_status_t bsp_eeprom_write(uint16_t address, const uint8_t *buf, uint16_t len);

BSP 接口设计原则（从本例看通用规则）

这个 EEPROM 驱动展示了 BSP 层设计的四个核心原则：

原则一：用枚举取代魔法数字

// ❌ 坏味道
if (eeprom_write(addr, buf, len) != 0) { error }

// ✅ 可读的错误码
if (bsp_eeprom_write(addr, buf, len) != BSP_EEPROM_STATUS_OK) { error }

原则二：参数边界检查在接口层

bsp_eeprom_status_t bsp_eeprom_write(uint16_t address, const uint8_t *buf, uint16_t len) {
    // 入参检查
    if ((buf == NULL) || (len == 0U))  return BSP_EEPROM_STATUS_INVALID_ARG;
    // 范围检查
    if ((address + len) > BSP_EEPROM_SIZE_BYTES) return BSP_EEPROM_STATUS_OUT_OF_RANGE;
    // 就绪检查
    if (!s_initialized) return BSP_EEPROM_STATUS_NOT_READY;
    // 实际写入...
}

原则三：软件 I2C 用开漏输出

PA11/PA12 配置为开漏输出（GPIO_MODE_OUTPUT_OD），不需要切换输入输出方向——读 SDA 时直接读输入寄存器，写 SDA 时写输出寄存器。这是 GPIO 模拟 I2C 的正确做法。

原则四：分三层隔离

层	文件	职责
硬件时序	bsp_eeprom.c（前 100 行）	GPIO 电平、延时、START/STOP/字节
芯片协议	（bsp_at24cxx.c）	AT24C02 读写命令序列、页写拆分
模块接口	bsp_eeprom.h	init/read/write/deinit + 错误码