STM32入门开发: 采用IIC硬件时序读写AT24C08(EEPROM)

一、环境介绍

编程软件: keil5

操作系统: win10

MCU型号: STM32F103ZET6

STM32编程方式: 寄存器开发 (方便程序移植到其他单片机)

IIC总线:  STM32本身支持IIC硬件时序的，上篇文章已经介绍了采用IIC模拟时序读写AT24C02，这篇文章介绍STM32的硬件IIC配置方法，并读写AT24C08。

文章地址： https://xiaolong.blog.csdn.net/article/details/117586108

模拟时序更加方便移植到其他单片机，通用性更高，不分MCU；硬件时序效率更高，每个MCU配置方法不同，依赖硬件本身支持。

器件型号： 采用AT24C08  EEPROM存储芯片

完整的工程源码下载地址,下载即可编译运行测试（包含了模拟IIC时序、STM32硬件IIC时序分别驱动AT24C02和AT24C08）:  https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/19399945

二、AT24C08存储芯片介绍

2.1 芯片功能特性介绍

AT24C08 是串行CMOS类型的EEPROM存储芯片，AT24C0x这个系列包含了AT24C01、AT24C02、AT24C04、AT24C08、AT24C16这些具体的芯片型号。

他们容量分别是：1K (128 x 8)、2K (256 x 8)、8K (1024 x 8)、16K (2048 x 8)  ，其中的8表示8位(bit)

它们的管脚功能、封装特点如下：

芯片功能描述：

AT24C08系列支持I2C，总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器；数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式。

芯片特性介绍：

1. 低压和标准电压运行

          –2.7（VCC=2.7伏至5.5伏）

          –1.8（VCC=1.8伏至5.5伏）

2. 两线串行接口(SDA、SCL)

3. 有用于硬件数据保护的写保护引脚

4. 自定时写入周期(5毫秒~10毫秒),因为内部有页缓冲区,向AT24C0x写入数据之后,还需要等待AT24C0x将缓冲区数据写入到内部EEPROM区域.

5. 数据保存可达100年

6. 100万次擦写周期

7. 高数据传送速率为400KHz、低速100KHZ和IIC总线兼容。 100 kHz（1.8V）和400 kHz（2.7V、5V）

8. 8字节页写缓冲区

这个缓冲区大小与芯片具体型号有关: 8字节页（1K、2K）、16字节页（4K、8K、16K）

2.2 芯片设备地址介绍

因为IIC协议规定，每次传递数据都是按8个字节传输的，AT24C08是1024字节，地址的选择上与AT24C02有所区别；

IIC设备的标准地址位是7位。上面这个图里AT24C08的1010是芯片内部固定值，A2 是硬件引脚、由硬件决定电平；P1、P0是空间存储块选择，每个存储块大小是256字节，寻址范围是0~255，AT24C08相当于是4块AT24C02的构造；最后一位是读/写位(1是读，0是写)，读写位不算在地址位里，但是根据IIC的时序顺序，在操作设备前，都需要先发送7位地址，再发送1位读写位，才能启动对芯片的操作，我们在写模拟时序为了方便统一写for循环，按字节发送，所以一般都是将7地址位与1位读写位拼在一起，组合成1个字节，方便按字节传输数据。

我现在使用的开发板上AT24C08的原理图是这样的：

那么这个AT24C08的标准设备地址分别是:

第一块区域:  0x50(十六进制)，对应的二进制就是: 1010000

第二块区域:  0x51(十六进制)，对应的二进制就是: 1010001

第三块区域:  0x52(十六进制)，对应的二进制就是: 1010010

第四块区域:  0x53(十六进制)，对应的二进制就是: 1010011

如果将读写位组合在一起，读权限的设备地址: 

第一块区域:  0xA1(十六进制)，对应的二进制就是: 10100001

第二块区域:  0xA3(十六进制)，对应的二进制就是: 10100011

第三块区域:  0xA5(十六进制)，对应的二进制就是: 10100101

第四块区域:  0xA7(十六进制)，对应的二进制就是: 10100111

如果将读写位组合在一起，写权限的设备地址: 

第一块区域:  0xA0(十六进制)，对应的二进制就是: 10100000

第二块区域:  0xA2(十六进制)，对应的二进制就是: 10100010

第三块区域:  0xA4(十六进制)，对应的二进制就是: 10100100

第四块区域:  0xA6(十六进制)，对应的二进制就是: 10100110

2.3  对AT24C08 按字节写数据的指令流程(时序)

详细解释：

1.  先发送起始信号

2.  发送设备地址(写权限)

3. 等待AT24C08应答、低电平有效

4. 发送存储地址、AT24C08内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~255)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C08接下来的数据改存储到哪个地方。

5. 等待AT24C08应答、低电平有效

6. 发送一个字节的数据，这个数据就是想存储到AT24C08里保存的数据。

7. 等待AT24C08应答、低电平有效

8. 发送停止信号

2.3  对AT24C08 按页写数据的指令流程(时序)

详细解释：

1.  先发送起始信号

2.  发送设备地址(写权限)

3. 等待AT24C08应答、低电平有效

4. 发送存储地址、AT24C08内部一共有256个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~255)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C08接下来的数据改存储到哪个地方。

5. 等待AT24C08应答、低电平有效

6. 可以循环发送8个字节的数据，这些数据就是想存储到AT24C08里保存的数据。

    AT24C08的页缓冲区是16个字节，所有这里的循环最多也只能发送16个字节，多发送的字节会将前面的覆盖掉。

   需要注意的地方:  这个页缓冲区的寻址也是从0开始，比如:  0~15算第1页，16~32算第2页......依次类推。 如果现在写数据的起始地址是3，那么这一页只剩下13个字节可以写；并不是说从哪里都可以循环写16个字节。

      详细流程: 这里程序里一般使用for循环实现 

     (1).  发送字节1

     (2). 等待AT24C08应答,低电平有效

     (3). 发送字节2

     (4). 等待AT24C08应答,低电平有效

     .........

     最多8次.   

7. 等待AT24C08应答、低电平有效

8. 发送停止信号

2.4  从AT24C08任意地址读任意字节数据(时序)

AT24C08支持当前地址读、任意地址读，最常用的还是任意地址读，因为可以指定读取数据的地址，比较灵活，上面这个指定时序图就是任意地址读。

 详细解释：

1.  先发送起始信号

2.  发送设备地址(写权限)

3. 等待AT24C08应答、低电平有效

4. 发送存储地址、AT24C08内部一共有2048个字节空间,寻址是从0开始的，范围是(0~1024)；发送这个存储器地址就是告诉AT24C08接下来应该返回那个地址的数据给单片机。

5. 等待AT24C08应答、低电平有效

6.  重新发送起始信号(切换读写模式)

7. 发送设备地址(读权限)

8.  等待AT24C08应答、低电平有效

9. 循环读取数据:  接收AT24C08返回的数据.

   读数据没有字节限制，可以第1个字节、也可以连续将整个芯片读完。

10. 发送非应答(高电平有效)

11. 发送停止信号

三、IIC总线介绍

2.1 IIC总线简介

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。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规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。

I2C 总线通过串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器（由器件的功能决定）。

I2C有四种工作模式:

       1.主机发送

       2.主机接收

       3.从机发送

       4.从机接收

I2C总线只用两根线：串行数据SDA（Serial Data）、串行时钟SCL（Serial Clock）。

总线必须由主机（通常为微控制器）控制，主机产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。

SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变。

2.2 IIC总线上的设备连接图

I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

其中上拉电阻范围是4.7K~100K。

2.3 I2C总线特征

I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个从设备都会对应一个唯一的地址(可以从I2C器件的数据手册得知)。主从设备之间就通过这个地址来确定与哪个器件进行通信，在通常的应用中，我们把CPU带I2C总线接口的模块作为主设备，把挂接在总线上的其他设备都作为从设备。

1. 总线上能挂接的器件数量

I2C总线上可挂接的设备数量受总线的最大电容400pF 限制，如果所挂接的是相同型号的器件，则还受器件地址的限制。

一般I2C设备地址是7位地址（也有10位），地址分成两部分：芯片固化地址（生产芯片时候哪些接地，哪些接电源，已经固定），可编程地址（引出IO口，由硬件设备决定）。

例如： 某一个器件是7 位地址，其中10101 xxx  高4位出厂时候固定了，低3位可以由设计者决定。

则一条I2C总线上只能挂该种器件最少8个。

如果7位地址都可以编程，那理论上就可以达到128个器件，但实际中不会挂载这么多。

2. 总线速度传输速度：

I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整。

3. 总线数据长度

I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行双向的数据传输。

2.4 I2C总线协议基本时序信号

空闲状态：SCL和SDA都保持着高电平。

起始条件：总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平，当SCL为高电平期间而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件。在起始条件产生后，总线处于忙状态，由本次数据传输的主从设备独占，其他I2C器件无法访问总线。

停止条件：当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个停止条件。

答应信号：每个字节传输完成后的下一个时钟信号，在SCL高电平期间，SDA为低，则表示一个应答信号。

非答应信号：每个字节传输完成后的下一个时钟信号，在SCL高电平期间，SDA为高，则表示一个应答信号。应答信号或非应答信号是由接收器发出的，发送器则是检测这个信号（发送器，接收器可以从设备也可以主设备）。

注意：起始和结束信号总是由主设备产生。

2.5  起始信号与停止信号

起始信号就是:  时钟线SCL处于高电平的时候，数据线SDA由高电平变为低电平的过程。SCL=1;SDA=1;SDA=0;

停止信号就是: 时钟线SCL处于低电平的时候,  数据线SDA由低电平变为高电平的过程。SCL=1;SDA=0;SDA=1;

2.6  应答信号

数据位的第9位就时应答位。 读取应答位的流程和读取数据位是一样的。示例:   SCL=0;SCL=1;ACK=SDA;       这个ACK就是读取的应答状态。

2.7 数据位传输时序

通过时序图了解到，SCL处于高电平的时候数据稳定，SCL处于低电平的时候数据不稳定。

那么对于写一位数据(STM32--->AT24C08): SCL=0;SDA=data; SCL=1; 

那么对于读一位数据(STM32<-----AT24C08): SCL=0;SCL=1;data=SDA;  

2.8 总线时序

四、IIC总线时序代码、AT24C08读写代码

在调试IIC模拟时序的时候，可以在淘宝上买一个24M的USB逻辑分析仪，时序出现问题，使用逻辑分析仪一分析就可以快速找到问题。

4.1 iic.c  这是STM32的IIC硬件时序完整代码

/*

函数功能: 初始化IIC总线

硬件连接: 

SCL---PB6

SDA---PB7

*/

void IIC_Init(void)

{

/*1. 时钟配置*/

RCC->APB2ENR|=1<<3; //PB

  /*2. GPIO口模式配置*/

GPIOB->CRL&=0x00FFFFFF;

GPIOB->CRL|=0xFF000000; //复用开漏输出

GPIOB->ODR|=0x3<<6;

/*3. GPIO口时钟配置(顺序不能错)*/

RCC->APB1ENR|=1<<21; //I2C1时钟

RCC->APB1RSTR|=1<<21; //开启复位时钟

RCC->APB1RSTR&=~(1<<21);//关闭复位时钟

/*4. 配置IIC的核心寄存器*/

I2C1->CR2=0x24<<0;  //配置主机频率为36MHZ

I2C1->CCR|=0x2D<<0; //配置主机频率是400KHZ

I2C1->CR1|=1<<0;    //开启IIC模块

/*

CCR=主机时钟频率/2/IIC总线的频率

45=36MHZ/2/400KHZ  ---0x2D

*/

}

/*

函数功能: 发送起始信号

当时钟线为高电平的时候，数据线由高电平变为低电平的过程

*/

void IIC_SendStart(void)

{

I2C1->CR1|=1<<8; //产生起始信号

while(!(I2C1->SR1&1<<0)){} //等待起始信号完成

I2C1->SR1=0; //清除状态位

}

/*

函数功能: 停止信号

当时钟线为高电平的时候，数据线由低电平变为高电平的过程

*/

void IIC_SendStop(void)

{

I2C1->CR1|=1<<9;

}

/*

函数功能: 发送地址数据

*/

void IIC_SendAddr(u8 addr)

{

u32 s1,s2;

I2C1->DR=addr; //发送数据

while(1)

{

s1=I2C1->SR1;

s2=I2C1->SR2;

  if(s1&1<<1) //判断地址有没有发送成功

{

break;

}

}

}

/*

函数功能: 发送数据

*/

void IIC_SendOneByte(u8 addr)

{

u32 s1,s2;

I2C1->DR=addr; //发送数据

while(1)

{

s1=I2C1->SR1;

s2=I2C1->SR2;

if(s1&1<<2) //判断数据有没有发送成功

{

break;

}

}

}

/*

函数功能: 接收一个字节数据

*/

u8 IIC_RecvOneByte(void)

{

u8 data=0;

I2C1->CR1|=1<<10; //使能应答

while(!(I2C1->SR1&1<<6)){} //等待数据

data=I2C1->DR;

I2C1->CR1&=~(1<<10); //关闭应答使能

return data;

}

4.2 AT24C08.c 这是AT24C08完整的读写代码

*

函数功能: 写一个字节

函数参数:

u8 addr 数据的位置(0~1023)

u8 data 数据范围(0~255)

*/

void AT24C08_WriteOneByte(u16 addr,u8 data)

{

    u8 read_device_addr=AT24C08_READ_ADDR;

u8 write_device_addr=AT24C08_WRITE_ADDR;

    if(addr<256*1) //第一个块

    {

        write_device_addr|=0x0<<1;

        read_device_addr|=0x0<<1;

    }

    else if(addr<256*2) //第二个块

    {

        write_device_addr|=0x1<<1;

        read_device_addr|=0x1<<1;

    }

    else if(addr<256*3) //第三个块

    {

        write_device_addr|=0x2<<1;

        read_device_addr|=0x2<<1;

    }

    else if(addr<256*4) //第四个块

    {

        write_device_addr|=0x3<<1;

        read_device_addr|=0x3<<1;

    }

    addr=addr%256; //得到地址范围

    IIC_SendStart();//起始信号

    IIC_SendAddr(write_device_addr);//发送设备地址

    IIC_SendOneByte(addr); //数据存放的地址

    IIC_SendOneByte(data); //发送将要存放的数据

    IIC_SendStop(); //停止信号

    DelayMs(10); //等待写

}

/*

函数功能: 读一个字节

函数参数:

u8 addr 数据的位置(0~1023)

返回值: 读到的数据

*/

u8 AT24C08_ReadOneByte(u16 addr)

{

    u8 data=0;

    u8 read_device_addr=AT24C08_READ_ADDR;

u8 write_device_addr=AT24C08_WRITE_ADDR;

    if(addr<256*1) //第一个块

    {

        write_device_addr|=0x0<<1;

        read_device_addr|=0x0<<1;

    }

    else if(addr<256*2) //第二个块

    {

        write_device_addr|=0x1<<1;

        read_device_addr|=0x1<<1;

    }

    else if(addr<256*3) //第三个块

    {

        write_device_addr|=0x2<<1;

        read_device_addr|=0x2<<1;

    }

    else if(addr<256*4) //第四个块

    {

        write_device_addr|=0x3<<1;

        read_device_addr|=0x3<<1;

    }

    addr=addr%256; //得到地址范围

    IIC_SendStart();//起始信号

    IIC_SendAddr(write_device_addr);//发送设备地址

    IIC_SendOneByte(addr); //将要读取数据的地址

    IIC_SendStart();//起始信号

    IIC_SendAddr(read_device_addr);//发送设备地址

    data=IIC_RecvOneByte();//读取数据