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51单片机存储篇：EEPROM(I2C)_单片机eeprom

作者：Gausst松鼠会 | 2024-04-20 07:07:41

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单片机eeprom

先认识I2C通信

基本概述 

IIC（Inter-Integrated Circuit）其实是IICBus简称，所以中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。I²C的正确读法为“I平方C”（"I-squared-C"），而“I二C”（"I-two-C"）则是另一种错误但被广泛使用的读法。自2006年10月1日起，使用I²C协议已经不需要支付专利费，但制造商仍然需要付费以获取I²C从属设备地址。

I2C总线是一种同步、半双工，带数据应答的二线制串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。

主器件用于启动总线传送数据，并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。

在总线上主和从、发和收的关系不是恒定的，而取决于此时数据传送方向。

如果主机要发送数据给从器件，则主机首先寻址从器件，然后主动发送数据至从器件，最后由主机终止数据传送；如果主机要接收从器件的数据，首先由主器件寻址从器件，然后主机接收从器件发送的数据，最后由主机终止接收过程。在这种情况下．主机负责产生定时时钟和终止数据传送。

IIC是为了与低速设备通信而发明的。

比如：本来高速设备一个周期发送1位，但是低速设备5个周期才能接收1位。两者速率无法同步，现在通过主设备控制1个时钟频率，使得主从设备能够在同一个时钟频率下工作。

IIC的传输速率比不上SPI。

通信速率一般（kbps级别），不适合语音、视频等信息类型。

主要用途：SoC和周边外设之间的通信（典型的如EEPROM、电容触摸IC、各种sensor等）

物理接口：SCL + SDA
SCL(serial clock)：时钟线，传输CLK信号，一般是I2C主设备向从设备提供时钟的通道。
SDA(serial data)：数据线，通信数据都通过SDA线传输。

通信特征：串行、同步、非差分、低速率

  • I2C属于串行通信，所有的数据以位为单位在SDA线上串行传输。
  • 同步通信就是通信双方工作在同一个时钟下，一般是通信的A方通过一根CLK信号线传输A自己的时钟给B，B工作在A传输的时钟下。所以同步通信的显著特征就是：通信线中有CLK。
  • 非差分。因为I2C通信速率不高，而且通信双方距离很近，所以使用电平信号通信。
  • 低速率。I2C一般是用在同一个板子上的2个IC之间的通信，而且用来传输的数据量不大，所以本身通信速率很低（一般几百Kbps，不同的I2C芯片的通信速率可能不同，具体在编程的时候要看自己所使用的设备允许的I2C通信最高速率，不能超过这个速率）

突出特征1：主设备+从设备
I2C通信的时候，通信双方地位是不对等的，而是分主设备和从设备。通信由主设备发起，由主设备主导，从设备只是按照I2C协议被动的接受主设备的通信，并及时响应。
谁是主设备、谁是从设备是由通信双方来定的（I2C协议并无规定），一般来说一个芯片可以只做主设备、也可以只做从设备、也可以既当主设备又当从设备（软件配置）。

突出特征2：可以多个设备挂在一条总线上（从设备地址）
I2C通信可以一对一（1个主设备对1个从设备），也可以一对多（1个主设备对多个从设备）。

在这里插入图片描述
主设备来负责调度总线，决定某一时间和哪个从设备通信。

注意：同一时间内，I2C的总线上只能传输一对设备的通信信息，所以同一时间只能有一个从设备和主设备通信，其他从设备处于“休眠”状态，不能出来捣乱，否则通信就乱套了（广播然后匹配的思路）。
每一个I2C从设备在通信中都有一个I2C从设备地址，这个设备地址是从设备本身固有的属性，然后通信时主设备需要知道自己将要通信的那个从设备的地址，然后在通信中通过地址来甄别是不是自己要找的那个从设备。（这个地址是一个电路板上唯一的，不是全球唯一的）

关于I2C的上拉电阻：I2C协议规定，总线空闲时两根线都必须为高。

小对比：

SPI是通过片选来一对多的（需要多根片选线），I2C是通过地址识别来一对多的（用SDA来实现即可，无需额外的地址线）。

时序：起始和结束

I2C总线上有2种状态；空闲态（所有从设备都未和主设备通信，此时总线空闲）和忙态（其中一个从设备在和主设备通信，此时总线被这一对占用，其他从设备必须歇着）。


整个通信分为一个周期一个周期的，两个相邻的通信周期是空闲态。每一个通信周期由一个起始位开始，一个结束位结束，中间是本周期的通信数据。


起始位并不是一个时间点，起始位是一个时间段，在这段时间内总线状态变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA线发生一个从高到低的下降沿。
与起始位相似，结束位也是一个时间段。在这段时间内总线状态变化情况是：SCL线维持高电平，同时SDA线发生一个从低到高的上升沿。

​

时序：数据传输

每一个通信周期的发起和结束都是由主设备来做的，从设备只有被动的响应主设备，没法自己自发的去做任何事情。
主设备在每个通信周期会先发8位的数据（其中7位是从设备地址，还有1位表示主设备下面要写入还是读出，所以最多能连接2^7即128个从设备）到总线。然后总线上的每个从设备都能收到这个地址，并且收到地址后和自己的设备地址比较看是否相等。如果相等说明主设备本次通信就是给我说话，如果不相等说明这次通信与我无关，不用听了不管了。

时序：ACK应答

ACK，Acknowledge character，确认字符


发送方发送一段数据后，接收方需要回应一个ACK。这个响应本身只有1个bit位，不能携带有效信息，只能表示2个意思（要么表示收到数据，即有效响应；要么表示未收到数据，无效响应）
在某一个通信时刻，主设备和从设备只能有一个在发（占用总线，也就是向总线写），另一个在收（从总线读）。

应答信号是可以被配置有或者没有的。

数据格式如下：

​
I2C通信时的基本数据单位也是以字节为单位的，每次传输的有效数据都是1个字节（8位）。


起始位及其后的8个clk都是主设备在发送（主设备掌控总线），此时从设备只能读取总线来得知主设备发给它的信息；然后到了第9周期，按照协议规定从设备需要发送ACK给主设备，所以此时主设备必须释放总线（也就是主设备把SDA总线置为高电平然后不要动），同时从设备试图拉低总线发出ACK。

如果从设备拉低总线失败，或者从设备根本就没有拉低总线，则主设备看到的现象就是总线在第9周期仍然一直保持高，这对主设备来说，意味着我没收到ACK，主设备就认为刚才给从设备发送的8字节不对（接收失败）

写数据和读数据

发送一个字节：

SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

接收应答：

在发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答。

接收一个字节：

SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节。

发送应答：

在接收完一个字节之后，主机在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

如果是读取数据，我们就会知道是否读到数据，所以一般无需发送应答。

数据传输顺序

SPI可以选择从最低位或者最高位开始发送，之前学DS1302的时候是从最低位开始发的，可是在学习SPI的时候又说是从最高位开始发送的。不知道哪个是对的。后面查资料，又说其实是可以配置的，具体情况具体对待的，看手册就知道了，不必纠结。


虽然很多器件都是用了某种接口协议，比如SPI I2C等等，但是对这些接口协议的封装会根据具体功能有所差异，不是完全一致的。另一方面，有些协议是要收费的，所以制造商只能借鉴，不能完全使用。只是说，用了那些接口协议的思想。

I2C一般是从最高位开始传输的。

关于释放总线

某个引脚如果接了地，那么无法将其拉高；如果引脚是高电平，那么可以控制其拉高或者拉低。因为接地的控制力比高电平高。

释放总线，就是将总线置1，为什么，因为只有置1，其他设备才有可能改变其状态。如果是置0，那么其它设备就无法将其从接地中改变状态。

关于边沿触发和电平触发

在之前学习SPI时，是边沿触发。这里的EEPROM，或者说I2C，是高电平触发。

关于触发方式，在硬件上来说，涉及到触发器和锁存器。如果器件处于锁存状态，那么输出就不受输入影响。如果想要某时刻的输入作用后能影响到输出，就要触发，那么，什么时候触发，就是个问题。

有些电路设计让电平改变的瞬间触发，过了这个点，就会进入锁存状态。这就是边沿触发，分为上升沿触发、下降沿触发以及双边触发。

有些电路设计，只要电平处于某种状态，比如高电平或者低电平，就可以一直触发。比如当处于高电平时，某电路只要输入一变，输出就会随之改变。

更多可以参考：下降沿触发和低电平触发的区别 - 知乎

我们进一步来考虑编程中的处理。

比如，上升沿触发，和高电平触发，在编程时有何区别？

这里很容易搞错，比如上升沿触发是SCL = 0;SCL = 1;高电平触发也是SCL = 0; SCL = 1;

这里，一个是关注瞬间，一个是关注阶段。

写数据时：

先将数据放到数据线上，然后边沿触发就会在改变的瞬间写入；高电平触发在高电平期间就会起作用。按照原理来看，高电平触发可以先放数据然后再将电平拉高，也可以先将电平拉高然后再放数据。有的设计中，要求高电平至少持续一段时间才能将数据写入。

读数据时：

主设备先拉高电平，在电平拉高的瞬间，从设备的数据就会被发送到总线上，然后主设备去获取该数据。如果是电平触发，那么，主设备要先拉高电平，在高电平期间从设备就可以将数据放到总线上，然后主设备就可以去读取。读取完就可以将电平拉低。有的设计中，要求高电平至少持续一段时间从设备才能将数据放到总线上。

在两种方式时，到达高电平之后，都会有一段延时。虽然都是延时，但是作用不同。

边沿触发后的延时是为了构建正常的时钟信号，对延时的时长没有具体要求。

电平触发的延时是为了构建起作用的条件，有时，还会对延时时间有要求。

  1. //写入///
  2. //边沿触发
  3. SDA = 1;
  4. SCL = 0;
  5. SCL = 1;
  6.  
  7. //电平触发
  8. SDA = 1;
  9. SCL = 0;
  10. SCL = 1;
  11. Delay();
  12. //或者
  13. SCL = 0;
  14. SCL = 1;
  15. SDA = 1;
  16. Delay();
  17.  
  18. //读数据///
  19. //边沿触发
  20. SCL = 0;
  21. SCL = 1;
  22. DAT = SDA;
  23.  
  24. //电平触发
  25. SCL = 0;
  26. SCL = 1;
  27. DAT = SDA;
  28. Delay();
  29. SCL = 0;

具体用什么方式来触发，一般取决于从设备所使用的协议要求。

另外，是否需要延时，延时多久，都需要取决于从设备的协议要求，如果不延时，频率过快，从设备可能承受不了这么高的频率，从而导致数据获取错误。

EEPROM

ROM：Read-Only Memory，只读存储器，断电后也能保存数据。

EEPROM：Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器，最小读写单位为字节，读写速度很慢。

EEPROM存在系统中的2种形式：内置在单片机内部，外部扩展。


EEPROM如何编程？

  • I2C接口底层时序
  • 器件定义的寄存器读写时序

24C02

相关内容查看数据手册，这里提供一篇参考文章：

24C02是一个2Kbit的串行EEPROM存储芯片，可存储256个字节数据。工作电压范围为1.8V到6.0V，具有低功耗CMOS技术，自定时擦写周期，1000000次编程/擦除周期，可保存数据100年。24C02有一个16字节的页写缓冲器和一个写保护功能。通过I2C总线通讯读写芯片数据，通讯时钟频率可达400KHz。

可以通过存储IC的型号来计算芯片的存储容量是多大，比如24C02后面的02表示的是可存储2Kbit的数据，转换为字节的存储量为2*1024/8 = 256Byte；又比如24C04后面的04表示的是可存储4Kbit的数据，转换为字节的储存量为4*1024/8 = 512Byte;以此来类推其它型号的存储空间。
24C02的管脚图如下：

在这里插入图片描述

VCC和VSS是芯片的电源和地，电压的工作范围为：+1.8V~+6.0V。
A0、A1、A2是IC的地址选择脚。
WP是写保护使能脚。
SCL是I2C通讯时钟引脚。
SDA是I2C通讯数据引脚。


下图为芯片从地址：

在这里插入图片描述
以看出对于不同大小的24Cxx，具有不同的从器件地址。由于24C02为2k容量，也就是说只需要参考图中第一行的内容。

芯片的寻址：
AT24C设备地址为如下：前四位固定为1010，A2~A0为由管脚电平。AT24CXX EEPROM Board模块中默认为接地。A2-A0=000，最后一位表示读写操作。所以AT24Cxx的读地址为0xA1，写地址为0xA0。

也就是说：
写24C02的时候，从器件地址为10100000（0xA0）；
读24C02的时候，从器件地址为10100001（0xA1）。

片内地址寻址（注意从设备地址和内部寻址的区别）：

芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位。
具体解释：
由于24C02只有256个字节的存储空间，所以只需要1个字节就可以寻址完24C02的存储空间，但是无法寻址完更大容量的存储IC，比如24C04的存储容量是512字节，需要9个bit的地址位才能寻址完。那怎么办呢？该芯片的解决方法是将A0作为其中一个地址位，由上图可以看到，24C04的设备地址内是没有A0参数的，也就是说24C04的A0引脚是不起作用的，这样也就造成了在I2C总线上只能同时挂载4个24C04芯片。其它存储器如24C08、24C16也可以这么类推。

24C02的WP引脚是写保护引脚，当WP引脚接高电平时，24C02只能进行读取操作，不能进行写操作。只有当WP引脚悬空或接低电平时，24C02才能进行写操作。

读写EEPROM

在写EEPROM的时候，要连续写入三个字节，第一个字节为从设备地址，第二个字节为要寻址的内存地址，第三个字节为要写入的数据；

同理，读的时候也要先写入从设备地址，然后就是寻址地址，然后开始读数据。

至于是读还是写，上面说了，用从设备地址的最后一位来表示，1表示读，0表示写。

页写：只发一次从设备地址和寻址首地址，之后直接写入多个数据，就会从首地址开始，按连续地址依次写入。

读写代码实现

注意，截至至2022年7月28日凌晨0点46分，此代码是有问题的，没法跑通，编译没问题，就是从设备怎么都没法应答成功，相对应的应该是数据没有写入到ROM中，不知道哪里出了问题，先放这，等查查资料再看看。

eeprommain.c

  1. /************************************************************
  2. *日期：2022年7月27日
  3. *作者：星辰
  4. *文件内容：eeprom功能程序入口
  5. **************************************************************/
  6.  
  7. #include "uart.h"
  8. #include "eeprom.h"
  9.  
  10. /*************************************************************
  11. *
  12. *函数入口
  13. *
  14. **************************************************************/
  15. void main(void)
  16. {
  17.     uchar flag1 = 0, flag2 = 0;
  18.     uchar uartArr[1] = {0};
  19.     
  20.     I2cStart();
  21.     flag1 = I2cWrite(0xA0) && I2cWrite(0x22) && I2cWrite('A'); //写入数据
  22.     I2cStop();
  23.  
  24.     if(flag1)
  25.     {
  26.         I2cStart();
  27.         flag2 = I2cWrite(0xA0) && I2cWrite(0x22);
  28.         if(flag2)
  29.         {
  30.             I2cStart();
  31.             I2cWrite(0xA1);
  32.             uartArr[0] = I2cRead();  //读出的数据
  33.         }
  34.         I2cStop();
  35.     }
  36.     
  37.     UartInit();
  38.     SendSomeChar(uartArr, 1);    
  39. }

eeprom.c

  1. /************************************************************
  2. *日期：2022年7月27日
  3. *作者：星辰
  4. *文件内容：eeprom读写
  5. **************************************************************/
  6.  
  7. #include "eeprom.h"
  8. #include "somedelay.h"
  9.  
  10. sbit SDA = P2^0;
  11. sbit SCL = P2^1;
  12.  
  13. /************************************************************
  14. *
  15. *开始标志
  16. *
  17. **************************************************************/
  18. void I2cStart()
  19. {
  20.     SDA = 1;
  21.     Delay10us();
  22.     SCL = 1;
  23.     Delay10us();
  24.     SDA = 0;
  25.     Delay10us();
  26.     SCL = 0;
  27.     Delay10us();
  28. }
  29.  
  30. /************************************************************
  31. *
  32. *结束标志
  33. *
  34. **************************************************************/
  35. void I2cStop()
  36. { 
  37.     SDA = 0;
  38.     Delay10us();
  39.     SCL = 1;
  40.     Delay10us();
  41.     SDA = 1;
  42.     Delay10us();
  43. }   
  44.  
  45. /************************************************************
  46. *
  47. *按字节写入
  48. *
  49. **************************************************************/
  50. uchar I2cWrite(uchar dataToWrite)
  51. {
  52.     uchar i = 0;
  53.     SCL = 0;
  54.  
  55.     for(i; i < 8; i++)
  56.     {
  57.         SDA = dataToWrite >> 7;    //从最高位开始传输
  58.         dataToWrite <<= 1;
  59.         Delay10us();
  60.         SCL = 1;
  61.         Delay10us();
  62.         SCL = 0;
  63.         Delay10us();
  64.     }
  65.     
  66.     SDA = 1;    //释放总线
  67.     Delay10us();
  68.     SCL = 1;
  69.     Delay10us();
  70.     
  71.     if(SDA == 0)
  72.     {
  73.         SCL = 0;
  74.         Delay10us(); 
  75.         return 1;   //返回1表示写入成功
  76.     }
  77.     
  78.     SCL = 0;
  79.     Delay10us();   
  80.     return 0;   //返回0表示失败		
  81. }
  82.  
  83. /************************************************************
  84. *
  85. *按字节读取
  86. *读之前也要先写入从设备地址和寻址地址
  87. **************************************************************/
  88. uchar I2cRead()
  89. {
  90.     uchar charGeted = 0;
  91.     uchar i = 0;
  92.     SCL = 0;
  93.  
  94.     for(i; i < 8; i++)
  95.     {
  96.         SCL = 1;
  97.         Delay10us();
  98.         charGeted |= SDA;
  99.         if(i != 7)
  100.         {
  101.             charGeted  <<= 1;
  102.         }  
  103.         SCL = 0;
  104.         Delay10us();
  105.     }
  106.     
  107.     //读的时候不用发送ACK吧？我只要看有没有读出数据就可以了呀。
  108.     return charGeted;
  109. }

uart.c

  1. /************************************************************
  2. *日期：2022年7月27日
  3. *作者：星辰
  4. *文件内容：串口调试
  5. **************************************************************/
  6.  
  7. #include "uart.h"
  8. #include "somedelay.h"
  9.  
  10. /*************************************************************
  11. *
  12. *初始化串口
  13. *
  14. **************************************************************/
  15. void UartInit()
  16. {
  17.     SCON = 0x50;        //设置使用模式1，波特率可变的8位UART，接收模式可用
  18.     TMOD = 0x20;        //配置定时器1处于模式3，8位自动重载，用作波特率发生器
  19.     PCON = 0x80;        //使用波特率加倍
  20.     TH1 = TL1 = 243;    //设置波特率为4800Hz
  21.     TR1 = 1;            //打开定时器1
  22. }
  23.  
  24. /*************************************************************
  25. *
  26. *串口发送字符串
  27. *
  28. **************************************************************/
  29. void SendSomeChar(uchar charArr[], int len)
  30. {    
  31.     while(1)
  32.     {
  33.         int i = 0;
  34.         
  35.         for(i; i < len; i++)
  36.         {
  37.             SBUF = charArr[i];      //直接把数据扔给硬件即可，之后的由硬件完成
  38.             while(!TI);             //等待上一个数据发完再发下一轮
  39.             TI = 0;                 //软件复位
  40.             Delay100us();           //必须要延时，速度太快，会出错
  41.         }
  42.         
  43.         SBUF = '\r';        //直接把数据扔给硬件即可，之后的由硬件完成
  44.         while(!TI);         //等待上一个数据发完再发下一轮
  45.         TI = 0;             //软件复位标志位
  46.         Delay1s();          //目标对象之间的延时
  47.     }
  48. }

其他的一些延时代码就不放了~~~~~~~~~~~

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

代码的分层设计

经过SPI和I2C等协议的学习，可以看出，有些外设使用了这些协议来实现功能，那么，这里就涉及到了两个层次。

底层用的就是这些协议，涉及到这些协议的基本读写。

高层，也就是具体的外设，也有一些具体的协议，通过读写特定的数据，实现具体的功能。

所以，在编程时，通常底层时序单独一个文件，高层时序单独一个文件，然后在main函数中，使用这些封装好的高层函数，而不直接使用底层函数。

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