单片机第一季：零基础12——I2C和EEPROM
目录
1，EEPROM
2，I2C
2.1，I2C物理层
2.2，I2C协议层
3，AT24C02介绍
4，代码
1，EEPROM
为什么需要EEPROM？
单片机内部的ROM只能在程序下载时进行擦除和改写，但是程序运行本身是不能改写的。单片机内部的RAM中的数据程序运行时可以改，但是掉电就丢失了。有时候我们有一些数据要存在系统中，要求掉电不丢失，而且程序还要能改。所以内部ROM和RAM都不行。这时候系统中就需要一块EEPROM。
2，I2C
2.1，I2C物理层
I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C 总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。由于其管脚少，硬件实现简单，可扩展性强
等特点，因此被广泛的使用在各大集成芯片内。
I2C 通信设备常用的连接方式如下图所示：
它的物理层有如下特点：
（1）它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C 通讯总线中，可连接多个I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
（2）一个I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
（3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
（4）总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
（5）多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
（6）具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C 设备尚不支持高速模式。
（7）连接到相同总线的IC 数量受到总线的最大电容400pF 限制。
下面我们来了解下I2C 总线常用的一些术语：
主机：启动数据传送并产生时钟信号的设备；
从机：被主机寻址的器件；
多主机：同时有多于一个主机尝试控制总线但不破坏传输；
主模式：用I2CNDAT 支持自动字节计数的模式； 位I2CRM,I2CSTT,I2CSTP控制数据的接收和发送；
从模式：发送和接收操作都是由I2C 模块自动控制的；
仲裁：是一个在有多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线并使传输不被破坏的过程；
同步：两个或多个器件同步时钟信号的过程；
发送器：发送数据到总线的器件；
接收器：从总线接收数据的器件。
I2C总结：
(1)主CPU和其附属芯片之间最常用的接口，尤其是各种传感器，因此在物联网时代非常重要。
(2)三根线：GND、SCL、SDA，串行、电平式。
(3)总线式结构，可以一对多，总线上可以挂上百个器件，用从地址来区分
(4)主从式，由主设备来发起通信及总线仲裁，从设备被动响应。
(5)通信速率一般（kbps级别），不适合语音、视频等信息类型。
2.2，I2C协议层
I2C 的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
（1）数据有效性规定
I2C 总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。如下图：
每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
（2）起始和停止信号
SCL 线为高电平期间，SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA 线由低电平向高电平的变化表示终止信号。如下图：
起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。
（3）应答响应
每当发送器件传输完一个字节的数据后，后面紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号即特定的低电平脉冲，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号即特定的高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。应答响应时序图如下：
每一个字节必须保证是8 位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9 位）。
由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。
如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。
当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。
（4）总线的寻址方式
I2C 总线寻址按照从机地址位数可分为两种，一种是7 位，另一种是10位。采用7 位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）的位定义如下：
D7～D1 位组成从机的地址。D0 位是数据传送方向位，为“ 0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。
10 位寻址和7 位寻址兼容，而且可以结合使用。10 位寻址不会影响已有的7 位寻址，有7 位和10 位地址的器件可以连接到相同的I2C 总线。我们就以7 位寻址为例进行介绍。
当主机发送了一个地址后，总线上的每个器件都将头7 位与它自己的地址比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，其他地址不同的器件将被忽略后面的数据信号。至于是从机接收器还是从机发送器，都由R/W 位决定的。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机
的7 位寻址位有4 位是固定位，3 位是可编程位，这时仅能寻址8 个同样的器件，即可以有8 个同样的器件接入到该I2C 总线系统中。
（5）数据传输
I2C 总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7 位），第8 位是数据的传送方向位（R/W），用“ 0”表示主机发送（写）数据（W），“ 1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信
号对另一从机进行寻址。
在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：
a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变
注意：有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。A 表示应答，A 非表示非应答（高电平）。S 表示起始信号，P 表示终止信号。
b、主机在第一个字节后，立即从从机读数据
c、在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好相反
到这里我们就介绍完I2C 总线，由于51 单片机没有硬件IIC 接口，即使有硬件接口我们通常还是采用软件模拟I2C。主要原因是硬件IIC 设计的比较复杂，而且稳定性不怎么好，程序移植比较麻烦，而用软件模拟IIC，最大的好处就是移植方便，同一个代码兼容所有单片机，任何一个单片机只要有IO 口（不需要特定IO），都可以很快的移植过去。
3，AT24C02介绍
AT24C01/02/04/08/16...是一个1K/2K/4K/8K/16K 位串行CMOS，内部含128/256/512/1024/2048 个8 位字节，AT24C01 有一个8 字节页写缓冲器，AT24C02/04/08/16 有一个16 字节页写缓冲器。该器件通过I2C 总线接口进行操作，它有一个专门的写保护功能。我们开发板上使用的是AT24C02（EEPROM）芯片，此芯片具有I2C 通信接口，芯片内保存的数据在掉电情况下都不丢失，所以通常用于存放一些比较重要的数据等。AT24C02 芯片管脚及外观图如下图所示：
AT24C02 器件地址为7 位，高4 位固定为1010，低3 位由A0/A1/A2 信号线的电平决定。因为传输地址或数据是以字节为单位传送的，当传送地址时，器件地址占7 位，还有最后一位（最低位R/W）用来选择读写方向，它与地址无关。其格式如下：
我们开发板已经将芯片的A0/A1/A2 连接到GND，所以器件地址为1010000，即0x50（未计算最低位）。如果要对芯片进行写操作时，R/W 即为0，写器件地址即为0XA0；如果要对芯片进行读操作时，R/W 即为1，此时读器件地址为0XA1。开发板上也将WP 引脚直接接在GND 上，此时芯片允许数据正常读写。
4，代码
i2c.c和i2c.h，主要是i2c的底层时序代码：
#include "i2c.h"
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : Delay1us()
* 函数功能 : 延时
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void I2C_Delay10us()
{
uchar a, b;
for(b=1; b>0; b--)
{
for(a=2; a>0; a--);
}
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : I2C_Start()
* 函数功能 : 起始信号：在I2C_SCL时钟信号在高电平期间I2C_SDA信号产生一个下降沿
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
* 备 注 : 起始之后I2C_SDA和I2C_SCL都为0
*******************************************************************************/
void I2C_Start()
{
I2C_SDA = 1;
I2C_Delay10us();
I2C_SCL = 1;
I2C_Delay10us();//建立时间是I2C_SDA保持时间>4.7us
I2C_SDA = 0;
I2C_Delay10us();//保持时间是>4us
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay10us();
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : I2C_Stop()
* 函数功能 : 终止信号：在I2C_SCL时钟信号高电平期间I2C_SDA信号产生一个上升沿
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
* 备 注 : 结束之后保持I2C_SDA和I2C_SCL都为1；表示总线空闲
*******************************************************************************/
void I2C_Stop()
{
I2C_SDA = 0;
I2C_Delay10us();
I2C_SCL = 1;
I2C_Delay10us();//建立时间大于4.7us
I2C_SDA = 1;
I2C_Delay10us();
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : I2cSendByte(uchar num)
* 函数功能 : 通过I2C发送一个字节。在I2C_SCL时钟信号高电平期间，
* * 保持发送信号I2C_SDA保持稳定
* 输 入 : num ,ack
* 输 出 : 0或1。发送成功返回1，发送失败返回0
* 备 注 : 发送完一个字节I2C_SCL=0, 需要应答则应答设置为1，否则为0
*******************************************************************************/
uchar I2C_SendByte(uchar dat, uchar ack)
{
uchar a = 0,b = 0;//最大255，一个机器周期为1us，最大延时255us。
// 为了保证时序正确，这里应该加一句 SCL = 0;
for(a=0; a<8; a++)//要发送8位，从最高位开始
{
I2C_SDA = dat >> 7; //起始信号之后I2C_SCL=0，所以可以直接改变I2C_SDA信号
dat = dat << 1;
I2C_Delay10us();
I2C_SCL = 1;
I2C_Delay10us();//建立时间>4.7us
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay10us();//时间大于4us
}
I2C_SDA = 1; // 主设备释放SDA线给从设备去操作
I2C_Delay10us();
I2C_SCL = 1; // 主设备开始了第9个周期
while(I2C_SDA && (ack == 1))//等待应答，也就是等待从设备把I2C_SDA拉低
{
b++;
if(b > 200) //如果超过200us没有应答发送失败，或者为非应答，表示接收结束
{
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay10us();
return 0;
}
}
I2C_SCL = 0;
I2C_Delay10us();
return 1;
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : I2cReadByte()
* 函数功能 : 使用I2c读取一个字节
* 输 入 : 无
* 输 出 : dat
* 备 注 : 接收完一个字节I2C_SCL=0
*******************************************************************************/
uchar I2C_ReadByte()
{
uchar a = 0,dat = 0;
I2C_SDA = 1; //起始和发送一个字节之后I2C_SCL都是0
I2C_Delay10us();
// 按道理这里应该有一个SCL = 0的
for(a=0; a<8; a++)//接收8个字节
{
I2C_SCL = 1; // 通知从设备我要开始读了，可以放1bit数据到SDA了
I2C_Delay10us();
dat <<= 1; // 读取的时候是高位在前的
dat |= I2C_SDA;
I2C_Delay10us();
I2C_SCL = 0; // 拉低，为下一个bit的周期做准备
I2C_Delay10us();
}
return dat;
}#ifndef __I2C_H_
#define __I2C_H_
#include
//---重定义关键词---//
#ifndef uchar
#define uchar unsigned char
#endif
#ifndef uint
#define uint unsigned int
#endif
//--定义使用的IO口--//
sbit I2C_SCL = P2^1;
sbit I2C_SDA = P2^0;
//--声明全局变量--//
void I2C_Delay10us();
void I2C_Start();
void I2C_Stop();
uchar I2C_SendByte(uchar dat, uchar ack);
uchar I2C_ReadByte();
#endif
注意：i2c每个位的发送和接收是从高位开始。
at24c02.c和at24c02.h代码，主要是基于i2c底层时序的高层时序：
#include "at24c02.h"
#include "i2c.h"
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat)
* 函数功能 : 往24c02的一个地址写入一个数据
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat)
{
I2C_Start();
I2C_SendByte(0xa0, 1);//发送写器件地址
I2C_SendByte(addr, 1);//发送要写入内存地址
I2C_SendByte(dat, 0); //发送数据
I2C_Stop();
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : unsigned char At24c02Read(unsigned char addr)
* 函数功能 : 读取24c02的一个地址的一个数据
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
unsigned char At24c02Read(unsigned char addr)
{
unsigned char num;
I2C_Start();
I2C_SendByte(0xa0, 1); //发送写器件地址
I2C_SendByte(addr, 1); //发送要读取的地址
I2C_Start();
I2C_SendByte(0xa1, 1); //发送读器件地址
num=I2C_ReadByte(); //读取数据
I2C_Stop();
return num;
}
#ifndef __AT24C02_H__
#define __AT24C02_H__
void At24c02Write(unsigned char addr,unsigned char dat);
unsigned char At24c02Read(unsigned char addr);
#endifuart.c和uart.h代码，对程序进行调试：
#include "uart.h"
// 串口设置为: 波特率9600、数据位8、停止位1、奇偶校验无
// 使用的晶振是11.0592MHz的，注意12MHz和24MHz的不行
void uart_init(void)
{
// 波特率9600
SCON = 0x50; // 串口工作在模式1（8位串口）、允许接收
PCON = 0x00; // 波特率不加倍
// 通信波特率相关的设置
TMOD = 0x20; // 设置T1为模式2
TH1 = 253;
TL1 = 253; // 8位自动重装，意思就是TH1用完了之后下一个周期TL1会
// 自动重装到TH1去
TR1 = 1; // 开启T1让它开始工作
// ES = 1;
// EA = 1;
}
// 通过串口发送1个字节出去
void uart_send_byte(unsigned char c)
{
// 第1步，发送一个字节
SBUF = c;
// 第2步，先确认串口发送部分没有在忙
while (!TI);
// 第3步，软件复位TI标志位
TI = 0;
}
#ifndef __UART_H__
#define __UART_H__
#include
void uart_init(void);
void uart_send_byte(unsigned char c);
#endif
注意：因为在使用串口调试时只使用到串口发送数据，因此把串口的中断进行了关闭，避免程序出现问题。
main.c函数：
/*******************************************************************************
* 实验名 : EEPROM实验
* 使用的IO :
*********************************************************************************/
#include
#include "at24c02.h"
#include "uart.h"
void delay20ms(void) //误差 -0.000000000005us
{
unsigned char a,b,c;
for(c=1;c>0;c--)
for(b=222;b>0;b--)
for(a=40;a>0;a--);
}
/*******************************************************************************
* 函 数 名 : main
* 函数功能 : 主函数
* 输 入 : 无
* 输 出 : 无
*******************************************************************************/
void main()
{
unsigned char i;
unsigned char addr;
unsigned char src_data[] = "()ab#cde!fg1234567";
unsigned char buf[8] = "ABCDEFGH";
uart_init();
/*
for (i=0; i<128; i++)
{
uart_send_byte(i);
}
while (1);
*/
// 先随便找一堆数据，譬如"abcdefg1234567-_-*&%@/\"
// 把这些写入EEPROM的特定地址中
// 然后读EEROM的这些地址，读出后通过串口打印出来看是不是我们写入的
uart_send_byte('%');
addr = 0;
for (i=0; i<8; i++)
{
At24c02Write(addr, src_data[i]);
delay20ms();
addr++;
}
for (i=0; i<8; i++)
{
uart_send_byte(buf[i]);
}
for (i=0; i<20; i++)
{
uart_send_byte('-');
}
// 读出测试
addr = 0;
for (i=0; i<8; i++)
{
buf[i] = At24c02Read(addr);
delay20ms();
addr++;
}
for (i=0; i<8; i++)
{
uart_send_byte(buf[i]);
}
while (1);
// 进一步测试
// 先写入一些特定内容，然后关机断电；然后改代码为读出并打印显示看内容
}
注意：对于主设备（51单片机）来说，将端口拉高是释放端口，从设备可以拉低这个端口，反之如果主设备拉低了端口，从设备是无法再将端口拉高的。在i2c.c中应答代码中就是这样操作的，主设备拉高端口，如果一段时间内端口被从设备拉低，则代表从设备有应答，否则无应答。
问题：在使用上述代码进行调试时，在关闭开发板电源时，串口调试助手窗口中会出现一个'\0' ,未找到原因。
