• 51单片机存储篇：EEPROM(I2C)

    先认识I2C通信

    I2C总线是由Philips公司开发的一种同步、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。

    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KHz，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能做主设备、也可以只能做从设备、也可以既能当主设备又能当从设备（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“冬眠”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）

    这里要注意IIC是为了与低速设备通信而发明的，所以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）

    I2C的时序：

    I2C的总线空闲状态、起始位、结束位
    I2C总线上有1个主设备，n（n>=1）个从设备。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。

    ​

    I2C数据传输格式（数据位&ACK，Acknowledge character，确认字符）
    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位的从设备地址（其实8位中只有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）到总线（主设备是以广播的形式发送的，只要是总线上的所有从设备其实都能收到这个信息）。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，如果不想等说明这次通信与我无关，不用听了不管了。
    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）。如果在某个时间主设备和从设备都试图向总线写那就完蛋了，通信就乱套了。

    ​

    数据在总线上的传输协议
    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中都是主设备在发送（主设备掌控总线），此时从设备只能读取总线，通过读总线来得知主设备发给从设备的信息；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（主设备把SDA总线置为高电平然后不要动，释放总线，其实就类似于总线空闲状态），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）

    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

    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。

    补充：

    问题：在高电平期间读写数据，那么如果高电平持续了多个时钟周期，会不会一直读写数据呢？

    怎么体现高电平传输呢？一开始，SCL是低电平，然后拉高，然后再拉低，构造了一个高电平，这样，才能将数据发送出去或者接收到。

    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（只需要一根地址线）。

    应答信号是可以被配置有或者没有的。

    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。

    I2C一般是从最高位开始传输的。

    有个问题补充：

    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。

    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~~~~~~~~~~~

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

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