I2C—读写EEPROM 实验

EEPROM 是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。EEPOM 芯片最常用的通讯方式就是I2C 协议，本小节以EEPROM的读写实验为大家讲解STM32 的I2C 使用方法。实验中STM32 的I2C 外设采用主模式，分别用作主发送器和主接收器，通过查询事件的方式来确保正常通讯。

硬件设计

EEPROM 硬件连接图

本实验板中的EEPROM芯片(型号：AT24C02)的SCL 及SDA 引脚连接到了STM32 对应的I2C 引脚中，结合上拉电阻，构成了I2C 通讯总线，它们通过I2C 总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有7 位，其中高4 位固定为：1010 b，低3 位则由A0/A1/A2信号线的电平决定，见图 24-13，图中的R/W 是读写方向位，与地址无关。

EEPROM 设备地址(摘自《AT24C02》规格书)

按照我们此处的连接，A0/A1/A2 均为0，所以EEPROM 的7 位设备地址是：1010000b ，即0x50。由于I2C 通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个8 位数，且当R/W 位为0 时，表示写方向，所以加上7 位地址，其值为“0xA0”，常称该值为I2C 设备的“写地址”；当R/W位为1 时，表示读方向，加上7 位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。

EEPROM 芯片中还有一个WP 引脚，具有写保护功能，当该引脚电平为高时，禁止写入数据，当引脚为低电平时，可写入数据，我们直接接地，不使用写保护功能。关于EEPROM的更多信息，可参考其数据手册《AT24C02》来了解。若您使用的实验板EEPROM的型号、设备地址或控制引脚不一样，只需根据我们的工程修改即可，程序的控制原理相同。

软件设计

为了使工程更加有条理，我们把读写EEPROM相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_i2c_ee.c”及“bsp_i2c_ee.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32 标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

编程要点

(1) 配置通讯使用的目标引脚为开漏模式；

(2) 使能I2C 外设的时钟；

(3) 配置I2C 外设的模式、地址、速率等参数并使能I2C 外设；

(4) 编写基本I2C 按字节收发的函数；

(5) 编写读写EEPROM存储内容的函数；

(6) 编写测试程序，对读写数据进行校验。

代码分析

I2C 硬件相关宏定义

我们把I2C 硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_i2c_ee.h”文件中，见代码清单24-2。

I2C硬件配置相关的宏

以上代码根据硬件连接，把与EEPROM 通讯使用的I2C 号 、引脚号都以宏封装起来，并且定义了自身的I2C 地址及通讯速率，以便配置模式的时候使用。

初始化I2C 的 GPIO

利用上面的宏，编写I2C GPIO引脚的初始化函数。

I2C GPIO初始化函数

开启相关的时钟并初始化GPIO引脚，函数执行流程如下：

(1) 使用GPIO_InitTypeDef 定义GPIO 初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO 配置；

(2) 调用库函数RCC_APB1PeriphClockCmd（代码中为宏EEPROM_I2C_APBxClock_FUN）使能I2C 外设时钟， 调用RCC_APB2PeriphClockCmd （ 代码中为宏EEPROM_I2C_GPIO_APBxClock_FUN）来使能I2C 引脚使用的GPIO端口时钟，调用时我们使用“|”操作同时配置两个引脚。

(3) 向GPIO 初始化结构体赋值，把引脚初始化成复用开漏模式，要注意I2C 的引脚必须使用这种模式。

(4) 使用以上初始化结构体的配置，调用GPIO_Init 函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化。

配置I2C 的模式

以上只是配置了I2C 使用的引脚，还不算对I2C 模式的配置。

熟悉STM32 I2C 结构的话，这段初始化程序就十分好理解，它把I2C 外设通讯时钟SCL 的低/高电平比设置为2，使能响应功能，使用7 位地址I2C_OWN_ADDRESS7 以及速率配置为I2C_Speed(前面在bsp_i2c_ee.h 定义的宏)。最后调用库函数I2C_Init 把这些配置写入寄存器，并调用I2C_Cmd 函数使能外设。

为方便调用，我们把I2C 的GPIO及模式配置都用I2C_EE_Init 函数封装起来。

向EEPROM 写入一个字节的数据

初始化好I2C 外设后，就可以使用I2C 通讯，我们看看如何向EEPROM写入一个字节的数据，见代码清单 24-5。

先来分析I2C_TIMEOUT_UserCallback 函数， 它的函数体里只调用了宏EEPROM_ERROR，这个宏封装了printf 函数，方便使用串口向上位机打印调试信息，阅读代码时把它当成printf 函数即可。在I2C 通讯的很多过程，都需要检测事件，当检测到某事件后才能继续下一步的操作，但有时通讯错误或者I2C 总线被占用，我们不能无休止地等待下去，所以我们设定每个事件检测都有等待的时间上限，若超过这个时间，我们就

调用I2C_TIMEOUT_UserCallback 函数输出调试信息(或可以自己加其它操作)，并终止I2C通讯。

了解了这个机制，再来分析I2C_EE_ByteWrite 函数，这个函数实现了前面讲的I2C 主发送器通讯流程：

(1) 使用库函数I2C_GenerateSTART 产生I2C 起始信号，其中的EEPROM_I2C 宏是前面硬件定义相关的I2C 编号；

(2) 对I2CTimeout 变量赋值为宏I2CT_FLAG_TIMEOUT，这个I2CTimeout 变量在下面的while 循环中每次循环减1，该循环通过调用库函数I2C_CheckEvent 检测事件，若检测到事件，则进入通讯的下一阶段，若未检测到事件则停留在此处一直检测，当检测I2CT_FLAG_TIMEOUT 次都还没等待到事件则认为通讯失败，调用前面的I2C_TIMEOUT_UserCallback 输出调试信息，并退出通讯；

(3) 调用库函数I2C_Send7bitAddress 发送EEPROM 的设备地址，并把数据传输方向设置为I2C_Direction_Transmitter(即发送方向)，这个数据传输方向就是通过设置I2C 通讯中紧跟地址后面的R/W位实现的。发送地址后以同样的方式检测EV6 标志；

(4) 调用库函数I2C_SendData 向EEPROM 发送要写入的内部地址，该地址是I2C_EE_ByteWrite 函数的输入参数，发送完毕后等待EV8 事件。要注意这个内部地址跟上面的EEPROM地址不一样，上面的是指I2C 总线设备的独立地址，而此处的内部地址是指EEPROM 内数据组织的地址，也可理解为EEPROM 内存的地址或I2C 设备的寄存器地址；

(5) 调用库函数I2C_SendData 向EEPROM 发送要写入的数据， 该数据是I2C_EE_ByteWrite 函数的输入参数，发送完毕后等待EV8 事件；

(6) 一个I2C 通讯过程完毕，调用I2C_GenerateSTOP 发送停止信号。

在这个通讯过程中，STM32 实际上通过I2C 向EEPROM 发送了两个数据，但为何第一个数据被解释为EEPROM 的内存地址？这是由EEPROM 的自己定义的单字节写入时序，见图 24-14。

图 24-14 EEPROM 单字节写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

EEPROM 的单字节时序规定，向它写入数据的时候，第一个字节为内存地址，第二个字节是要写入的数据内容。所以我们需要理解：命令、地址的本质都是数据，对数据的解释不同，它就有了不同的功能。

多字节写入及状态等待

单字节写入通讯结束后，EEPROM 芯片会根据这个通讯结果擦写该内存地址的内容，这需要一段时间，所以我们在多次写入数据时，要先等待EEPROM内部擦写完毕。多个数据写入过程见代码清单 24-6。

这段代码比较简单，直接使用for 循环调用前面定义的I2C_EE_ByteWrite 函数一个字节一个字节地向EEPROM 发送要写入的数据。在每次数据写入通讯前调用了I2C_EE_WaitEepromStandbyState 函数等待EEPROM 内部擦写完毕，该函数的定义见代码清单 24-7。

这个函数主要实现是向EEPROM 发送它设备地址，检测EEPROM 的响应，若EEPROM 接收到地址后返回应答信号，则表示EEPROM 已经准备好，可以开始下一次通讯。函数中检测响应是通过读取STM32 的SR1 寄存器的ADDR 位及AF 位来实现的，当I2C 设备响应了地址的时候，ADDR 会置1，若应答失败，AF 位会置1。

EEPROM 的页写入

在以上的数据通讯中，每写入一个数据都需要向EEPROM发送写入的地址，我们希望向连续地址写入多个数据的时候，只要告诉EEPROM 第一个内存地址address1，后面的数据按次序写入到address2、address3… 这样可以节省通讯的时间，加快速度。为应对这种需求，EEPROM定义了一种页写入时序，见图 24-15。

图 24-15 EEPROM 页写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

根据页写入时序，第一个数据被解释为要写入的内存地址address1，后续可连续发送n个数据，这些数据会依次写入到内存中。其中AT24C02 型号的芯片页写入时序最多可以一次发送8 个数据(即n = 8 )，该值也称为页大小，某些型号的芯片每个页写入时序最多可传输16 个数据。EEPROM的页写入代码实现见代码清单 24-8。

这段页写入函数主体跟单字节写入函数是一样的，只是它在发送数据的时候，使用for循环控制发送多个数据，发送完多个数据后才产生I2C 停止信号，只要每次传输的数据小于等于EEPROM时序规定的页大小，就能正常传输。

快速写入多字节

利用EEPROM的页写入方式，可以改进前面的“多字节写入”函数，加快传输速度，见代码清单 24-9。

除了基本的分页传输，还要考虑首地址的问题，见表 24-3。若首地址不是刚好对齐到页的首地址，会需要一个count 值，用于存储从该首地址开始写满该地址所在的页，还能写多少个数据。实际传输时，先把这部分count 个数据先写入，填满该页，然后把剩余的数据(NumByteToWrite-count)，再重复上述求出NumOPage 及NumOfSingle 的过程，按页传输到EEPROM。

1. 若writeAddress=16，计算得Addr=16%8= 0 ，count=8-0= 8；

2. 同时，若NumOfPage=22，计算得NumOfPage=22/8= 2，NumOfSingle=22%8= 6。

3. 数据传输情况如表 24-2

4. 若writeAddress=17，计算得Addr=17%8= 1，count=8-1= 7；

5. 同时，若NumByteToWrite=22，

6. 先把count 去掉，特殊处理，计算得新的NumByteToWrite=22-7= 15

7. 计算得NumOfPage=15/8= 1，NumOfSingle=15%8= 7。

8. 数据传输情况如表 24-3

最后，强调一下，EEPROM 支持的页写入只是一种加速的I2C 的传输时序，实际上并不要求每次都以页为单位进行读写，EEPROM 是支持随机访问的(直接读写任意一个地址)，如前面的单个字节写入。在某些存储器，如NAND FLASH，它是必须按照Block 写入的，例如每个Block 为512 或4096 字节，数据写入的最小单位是Block，写入前都需要擦除整个Block；NOR FLASH 则是写入前必须以Sector/Block 为单位擦除，然后才可以按字节写入。而我们的EEPROM数据写入和擦除的最小单位是“字节”而不是“页”，数据写入前不需要擦除整页。

从EEPROM 读取数据

从EEPROM读取数据是一个复合的I2C 时序，它实际上包含一个写过程和一个读过程，见图 24-16。

图 24-16 EEPROM 数据读取时序

读时序的第一个通讯过程中，使用I2C 发送设备地址寻址(写方向)，接着发送要读取的“内存地址”；第二个通讯过程中，再次使用I2C 发送设备地址寻址，但这个时候的数据方向是读方向；在这个过程之后，EEPROM 会向主机返回从“内存地址”开始的数据，一个字节一个字节地传输，只要主机的响应为“应答信号”，它就会一直传输下去，主机想结束传输时，就发送“非应答信号”，并以“停止信号”结束通讯，作为从机的EEPROM也会停止传输。实现代码见代码清单 24-10。

这段中的写过程跟前面的写字节函数类似，而读过程中接收数据时，需要使用库函数I2C_ReceiveData 来读取。响应信号则通过库函数I2C_AcknowledgeConfig 来发送，DISABLE 时为非响应信号，ENABLE 为响应信号。

main 文件

EEPROM 读写测试函数

完成基本的读写函数后，接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程序，见代码清单 24-11。

代码中先填充一个数组，数组的内容为1,2,3 至N，接着把这个数组的内容写入到EEPROM 中，写入时可以采用单字节写入的方式或页写入的方式。写入完毕后再从EEPROM 的地址中读取数据，把读取得到的与写入的数据进行校验，若一致说明读写正常，否则读写过程有问题或者EEPROM 芯片不正常。其中代码用到的EEPROM_INFO 跟EEPROM_ERROR 宏类似，都是对printf 函数的封装，使用和阅读代码时把它直接当成printf 函数就好。具体的宏定义在“bsp_i2c_ee.h 文件中”，在以后的代码我们常常会用类似的宏来输出调试信息。

ain 函数

最后编写main 函数，函数中初始化串口、I2C 外设，然后调用上面的I2C_Test 函数进行读写测试，见代码清单 24-12。

下载验证

用USB 线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到EEPROM测试的调试信息。

图 24-17 EEPROM 测试成功