STM32-I2C读写EEPROM

I2C协议简介

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由 Phiilps 公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要 USART、 CAN 等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

下面我们分别对 I2C 协议的物理层及协议层进行讲解。

I2C物理层

I2C 通讯设备之间的常用连接方式见图 23-1。

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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。

协议层

I2C 的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

I2C基本读写过程

先看看 I2C 通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 23-2、图 23-3 及图 23-4。

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P ：停止传输信号

这些图表示的是主机和从机通讯时， SDA 线的数据包序列。

其中 S 表示由主机的 I2C 接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到 I2C 总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号(SLAVE_ADDRESS)。在 I2C 总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。

根据 I2C 协议，这个从机地址可以是 7 位或 10 位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为 0 时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为 1 时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为 8 位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输 N 个数据，这个 N 没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为 8 位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回 N 个数据，这个 N 也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

除了基本的读写， I2C 通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS 寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与 SLAVE_ADDRESS 的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

通讯的起始和停止信号

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 23-5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

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数据的有效性

I2C 使用 SDA 信号线来传输数据，使用 SCL 信号线进行数据同步。见图 23-6。 SDA数据线在 SCL 的每个时钟周期传输一位数据。传输时， SCL 为高电平的时候 SDA 表示的数据有效，即此时的 SDA 为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当 SCL为低电平时， SDA 的数据无效，一般在这个时候 SDA 进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

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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。

地址及数据方向

I2C 总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过 SDA 信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。 I2C 协议规定设备地址可以是 7 位或 10 位，实际中 7 位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/W-)，第 8 位或第 11 位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 23-7。

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读数据方向时，主机会释放对 SDA 信号线的控制，由从机控制 SDA 信号线，主机接收信号，写数据方向时， SDA 由主机控制，从机接收信号。

响应

I2C 的数据和地址传输都带响应。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，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，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。见图 23-8。

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传输时主机产生时钟，在第 9 个时钟时，数据发送端会释放 SDA 的控制权，由数据接收端控制 SDA，若 SDA 为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

STM32的I2C特性及架构

如果我们直接控制 STM32 的两个 GPIO 引脚，分别用作 SCL 及 SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制 LED 灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取 SDA 电平)，就可以实现 I2C 通讯。同样，假如我们按照 USART 的要求去控制引脚，也能实现 USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它，不管是 ST 生产的控制器还是 ATMEL 生产的存储器，都能按通讯标准交互。

由于直接控制 GPIO 引脚电平产生通讯时序时，需要由 CPU 控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。

相对地，还有“硬件协议”方式， STM32 的 I2C 片上外设专门负责实现 I2C 通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来， CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理 I2C协议的方式减轻了 CPU 的工作，且使软件设计更加简单。

STM32的I2C外设简介

STM32 的 I2C 外设可用作通讯的主机及从机，支持 100Kbit/s 和 400Kbit/s 的速率，支持 7 位、 10 位设备地址，支持 DMA 数据传输，并具有数据校验功能。它的 I2C 外设还支持 SMBus2.0 协议， SMBus 协议与 I2C 类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus20》文档了解。

STM32的I2C架构剖析

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1、通讯引脚

I2C 的所有硬件架构都是根据图中左侧 SCL 线和 SDA 线展开的(其中的 SMBA 线用于SMBUS 的警告信号， I2C 通讯没有使用)。 STM32 芯片有多个 I2C 外设，它们的 I2C 通讯信号引出到不同的 GPIO 引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 23-1。关于GPIO 引脚的复用功能，可查阅《STM32F4xx 规格书》，以它为准。

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2、时钟控制逻辑

SCL 线的时钟信号，由 I2C 接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。配置 I2C 的 CCR 寄存器可修改通讯速率相关的参数：

可选择 I2C 通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别 I2C 对应 100/400Kbit/s 的通讯速率。
在快速模式下可选择 SCL 时钟的占空比，可选 Tlow/Thigh=2 或 Tlow/Thigh=16/9 模式，我们知道 I2C 协议在 SCL 高电平时对 SDA 信号采样， SCL 低电平时 SDA 准备下一个数据，修改 SCL 的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，这里随便选就可以了。
CCR 寄存器中还有一个 12 位的配置因子 CCR，它与 I2C 外设的输入时钟源共同作用，产生 SCL 时钟， STM32 的 I2C 外设都挂载在 APB1 总线上，使用 APB1 的时钟源 PCLK1， SCL 信号线的输出时钟公式如下：

标准模式：

Thigh=CCRTPCKL1 Tlow = CCRTPCLK1

快速模式中 Tlow/Thigh=2 时：

Thigh = CCRTPCKL1 Tlow = 2CCR*TPCKL1

快速模式中 Tlow/Thigh=16/9 时：

Thigh = 9CCRTPCKL1 Tlow = 16CCRTPCKL1

例如，我们的 PCLK1=45MHz，想要配置 400Kbit/s 的速率，计算方式如下：

PCLK 时钟周期：TPCLK1 = 1/45000000

目标 SCL 时钟周期：TSCL = 1/400000

SCL 时钟周期内的高电平时间： THIGH = TSCL/3

SCL 时钟周期内的低电平时间： TLOW = 2*TSCL/3

计算 CCR 的值： CCR = THIGH/TPCLK1 = 37.5

计算结果为小数，而 CCR 寄存器是无法配置小数参数的，所以我们只能把 CCR 取值为 38，这样 I2C 的 SCL 实际频率无法达到 400KHz (约为 394736Hz)。要想它实际频率达到400KHz，需要修改 STM32 的系统时钟，把 PCLK1 时钟频率改成 10 的倍数才可以，但修改 PCKL 时钟影响很多外设，所以一般我们不会修改它。 SCL 的实际频率不达到 400KHz，除了通讯稍慢一点以外，不会对 I2C 的标准通讯造成其它影响。

3、数据控制逻辑

I2C 的 SDA 信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、 PEC 寄存器以及 SDA 数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过 SDA 信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把 SDA 信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过 PCE 计算器运算，运算结果存储在“PEC 寄存器”中。当 STM32 的 I2C 工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与 STM32 的自身的“I2C 地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。 STM32 的自身 I2C 地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个 I2C 设备地址，两个地址分别存储在 OAR1 和 OAR2 中。

4、整体控制逻辑

整体控制逻辑负责协调整个 I2C 外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1 和 SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解 I2C的工作状态了。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生 I2C 中断信号、 DMA 请求及各种 I2C 的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

通信过程

使用 I2C 外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1 及 SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

主发送器

见图 23-10。图中的是“主发送器”流程，即作为 I2C 通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。

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主发送器发送流程及事件说明如下：

(1) 控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对 SR1 寄存器的“SB”位置 1，表示起始信号已经发送；

(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”及“EV8”，这时 SR1 寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置 1， ADDR 为 1 表示地址已经发送， TXE 为 1 表示数据寄存器为空；

(3) 以上步骤正常执行并对 ADDR 位清零后，我们往 I2C 的“数据寄存器 DR”写入要发送的数据，这时 TXE 位会被重置 0，表示数据寄存器非空， I2C 外设通过SDA 信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV8”事件，即 TXE 位被置 1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；

(4) 当我们发送数据完成后，控制 I2C 设备产生一个停止信号(P)，这个时候会产生EV2 事件， SR1 的 TXE 位及 BTF 位都被置 1，表示通讯结束。

假如使能I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务函数程序后，再通过检查寄存器位来了解是哪一个事件。

主接收器

再来分析主接收器过程，即作为 I2C 通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图23-11。

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主接收器接收流程及事件说明如下：

(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对 SR1 寄存器的“SB”位置 1，表示起始信号已经发送；

(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”这时SR1 寄存器的“ADDR”位被置 1，表示地址已经发送。

(3) 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV7”事件， SR1 寄存器的 RXNE 被置 1，表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制 I2C 发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)，若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；

(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。

在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用STM32 标准库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。

I2C初始化结构体详解

跟其它外设一样， STM32 标准库提供了 I2C 初始化结构体及初始化函数来配置 I2C 外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f4xx_i2c.h”及“stm32f4xx_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对 I2C 外设运用自如了，见代码清单 23-1。

代码清单 23-1 I2C 初始化结构体

typedef struct {
    uint32_t I2C_ClockSpeed; /*!< 设置 SCL 时钟频率，此值要低于 40 0000*/
    uint16_t I2C_Mode; /*!< 指定工作模式，可选 I2C 模式及 SMBUS 模式 */
    uint16_t I2C_DutyCycle; /*指定时钟占空比，可选 low/high = 2:1 及 16:9 模式*/
    uint16_t I2C_OwnAddress1; /*!< 指定自身的 I2C 设备地址 */
    uint16_t I2C_Ack; /*!< 使能或关闭响应(一般都要使能) */
    uint16_t I2C_AcknowledgedAddress; /*!< 指定地址的长度，可为 7 位及 10 位 */
} I2C_InitTypeDef;

这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在 STM32 标准库中定义的宏：

(1) I2C_ClockSpeed

本成员设置的是 I2C 的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值经过运算后把时钟因子写入到 I2C 的时钟控制寄存器 CCR。而我们写入的这个参数值不得高于 400KHz。实际上由于 CCR 寄存器不能写入小数类型的时钟因子，影响到 SCL 的实际频率可能会低于本成员设置的参数值，这时除了通讯稍慢一点以外，不会对 I2C 的标准通讯造成其它影响。

(2) I2C_Mode

本成员是选择 I2C 的使用方式，有 I2C 模式(I2C_Mode_I2C )和 SMBus 主、从模式(I2C_Mode_SMBusHost、 I2C_Mode_SMBusDevice ) 。 I2C 不需要在此处区分主从模式，直接设置 I2C_Mode_I2C 即可。

(3) I2C_DutyCycle

本成员设置的是 I2C 的 SCL 线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为 2： 1 ( I2C_DutyCycle_2)和 16： 9 (I2C_DutyCycle_16_9)。其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以了。

(4) I2C_OwnAddress1

本成员配置的是 STM32 的 I2C 设备自己的地址，每个连接到 I2C 总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为 7 位或 10 位(受下面I2C_AcknowledgeAddress 成员决定)，只要该地址是 I2C 总线上唯一的即可。STM32 的 I2C 外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1 配置的是默认的、 OAR1 寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器 OAR2，可使用 I2C_OwnAddress2Config 函数来配置， OAR2 不支持 10 位地址。

(5) I2C_Ack_Enable

本成员是关于 I2C 应答设置，设置为使能则可以发送响应信号。该成员值一般配置为允许应答(I2C_Ack_Enable)，这是绝大多数遵循 I2C 标准的设备的通讯要求，改为禁止应答(I2C_Ack_Disable)往往会导致通讯错误。

(6) I2C_AcknowledgeAddress

本成员选择 I2C 的寻址模式是 7 位还是 10 位地址。这需要根据实际连接到 I2C 总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到 I2C_OwnAddress1 成员，只有这里设置成10 位模式时， I2C_OwnAddress1 才支持 10 位地址。

配置完这些结构体成员值，调用库函数 I2C_Init 即可把结构体的配置写入到寄存器中。

I2C读写实验

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

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 通讯了，我们看看如何向 EEPROM 写入一个字节的数据，见代码清单 23-5。

代码清单 23-5 向 EEPROM 写入一个字节的数据

/***************************************************************/
/*通讯等待超时时间*/
#define I2CT_FLAG_TIMEOUT ((uint32_t)0x1000)
#define I2CT_LONG_TIMEOUT ((uint32_t)(10 * I2CT_FLAG_TIMEOUT))

/**
* @brief I2C 等待事件超时的情况下会调用这个函数来处理
* @param errorCode：错误代码，可以用来定位是哪个环节出错.
* @retval 返回 0，表示 IIC 读取失败.
*/
static uint32_t I2C_TIMEOUT_UserCallback(uint8_t errorCode)
{
    /* 使用串口 printf 输出错误信息，方便调试 */
    EEPROM_ERROR("I2C 等待超时!errorCode = %d",errorCode);
    return 0;
}
/**
* @brief 写一个字节到 I2C EEPROM 中
* @param pBuffer:缓冲区指针
* @param WriteAddr:写地址
* @retval 正常返回 1，异常返回 0
*/
uint32_t I2C_EE_ByteWrite(u8* pBuffer, u8 WriteAddr)
{
    /* 产生 I2C 起始信号 */
    I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);
    
    /*设置超时等待时间*/
    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
    /* 检测 EV5 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(0);
    }

    /* 发送 EEPROM 设备地址 */
    I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C, EEPROM_ADDRESS,  I2C_Direction_Transmitter);    

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
    /* 检测 EV6 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C,
    I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(1);
    }

    /* 发送要写入的 EEPROM 内部地址(即 EEPROM 内部存储器的地址) */
    I2C_SendData(EEPROM_I2C, WriteAddr);
    
    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
    /* 检测 EV8 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(2);
    }

    /* 发送一字节要写入的数据 */
    I2C_SendData(EEPROM_I2C, *pBuffer);    

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV8 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
    }

    /* 发送停止信号 */
    I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2C, ENABLE);

    return 1;
}

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 23-14。

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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 23-6。

代码清单 23-6 多字节写入

/**
* @brief 将缓冲区中的数据写到 I2C EEPROM 中，采用单字节写入的方式，
速度比页写入慢
* @param pBuffer:缓冲区指针
* @param WriteAddr:写地址
* @param NumByteToWrite:写的字节数
* @retval 无
*/
uint8_t I2C_EE_ByetsWrite(uint8_t* pBuffer,uint8_t WriteAddr, uint16_t NumByteToWrite)
{
    uint16_t i;
    uint8_t res;    

    /*每写一个字节调用一次 I2C_EE_ByteWrite 函数*/
    for (i=0; i<NumByteToWrite; i++)
     {
         /*等待 EEPROM 准备完毕*/
         I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
         /*按字节写入数据*/
         res = I2C_EE_ByteWrite(pBuffer++,WriteAddr++);
     }
     return res;
 }

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 23-7。

代码清单 23-7 等待 EEPROM 处于准备状态

//等待 Standby 状态的最大次数
#define MAX_TRIAL_NUMBER 300
/**
* @brief 等待 EEPROM 到准备状态
* @param 无
* @retval 正常返回 1，异常返回 0
*/
static uint8_t I2C_EE_WaitEepromStandbyState(void)
{
    __IO uint16_t tmpSR1 = 0;
    __IO uint32_t EETrials = 0;
    
    /*总线忙时等待 */
    I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
    while (I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2C, I2C_FLAG_BUSY))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(20);
    }
    
    /* 等待从机应答，最多等待 300 次 */
    while (1)
    {
        /*开始信号 */
        I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);
        
        /* 检测 EV5 事件并清除标志*/
        I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
        while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
        {
            if ((I2CTimeout--) == 0) 
                return I2C_TIMEOUT_UserCallback(21);
        }        

        /* 发送 EEPROM 设备地址 */
        I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);        

        /* 等待 ADDR 标志 */
        I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
        do
        {
            /* 获取 SR1 寄存器状态 */
            tmpSR1 = EEPROM_I2C->SR1;
            
            if ((I2CTimeout--) == 0) 
                return I2C_TIMEOUT_UserCallback(22);
            if ((I2CTimeout--) == 0) 
                return I2C_TIMEOUT_UserCallback(22);
        }
        /* 一直等待直到 addr 及 af 标志为 1 */
        while ((tmpSR1 & (I2C_SR1_ADDR | I2C_SR1_AF)) == 0);
        
        /*检查 addr 标志是否为 1 */
        if (tmpSR1 & I2C_SR1_ADDR)
        {
            /* 清除 addr 标志该标志通过读 SR1 及 SR2 清除 */
            (void)EEPROM_I2C->SR2;
            
            /*产生停止信号 */
            I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2C, ENABLE);
            
            /* 退出函数 */
            return 1;
        }
        else
        {
            /*清除 af 标志 */
            I2C_ClearFlag(EEPROM_I2C, I2C_FLAG_AF);
        }       

        /*检查等待次数*/
        if (EETrials++ == MAX_TRIAL_NUMBER)
        {
            /* 等待 MAX_TRIAL_NUMBER 次都还没准备好，退出等待 */
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(23);
        }
    }
}

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内容，加快速度。为应对这种需求， EEPROM 定义了一种页写入时序，见图 23-15。

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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 23-8。

代码清单 23-8 EEPROM 的页写入

/**
* @brief 在 EEPROM 的一个写循环中可以写多个字节，但一次写入的字节数
* 不能超过 EEPROM 页的大小， AT24C02 每页有 8 个字节
* @param
* @param pBuffer:缓冲区指针
* @param WriteAddr:写地址
* @param NumByteToWrite:要写的字节数要求 NumByToWrite 小于页大小
* @retval 正常返回 1，异常返回 0
*/
uint8_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr, uint8_t NumByteToWrite)
{
    I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
    
    while (I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2C, I2C_FLAG_BUSY))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(4);
    }    

    /* 产生 I2C 起始信号 */
    I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);
    
    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
    
    /* 检测 EV5 事件并清除标志 */
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(5);
    }   

    /* 发送 EEPROM 设备地址 */
    I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);    

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;    

    /* 检测 EV6 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, 39 I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(6);
    }

    /* 发送要写入的 EEPROM 内部地址(即 EEPROM 内部存储器的地址) */
    I2C_SendData(EEPROM_I2C, WriteAddr);

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV8 事件并清除标志*/
    while (! I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(7);
    }

    /* 循环发送 NumByteToWrite 个数据 */
    while (NumByteToWrite--)
    {
        /* 发送缓冲区中的数据 */
        I2C_SendData(EEPROM_I2C, *pBuffer);
        
        /* 指向缓冲区中的下一个数据 */
        /* 指向缓冲区中的下一个数据 */
        pBuffer++;
        
        I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;
        
        /* 检测 EV8 事件并清除标志*/

        while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
        {
            if ((I2CTimeout--) == 0) 
                return I2C_TIMEOUT_UserCallback(8);
        }
    }
    /* 发送停止信号 */
    I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2C, ENABLE);
    return 1;
}

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 23-9

代码清单 23-9 快速写入多字节函数

/* AT24C01/02 每页有 8 个字节 */
#define I2C_PageSize 8
/**
* @brief 将缓冲区中的数据写到 I2C EEPROM 中，采用页写入的方式，加快写入速度
* @param pBuffer:缓冲区指针
* @param WriteAddr:写地址
* @param NumByteToWrite:写的字节数* @retval 无
*/
void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr, u16 NumByteToWrite)
{
    uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0;

    /*mod 运算求余，若 writeAddr 是 I2C_PageSize 整数倍，运算结果 Addr 值为 0*/
    Addr = WriteAddr % I2C_PageSize;   

    /*差 count 个数据，刚好可以对齐到页地址*/
    count = I2C_PageSize - Addr;

    /*计算出要写多少整数页*/
    NumOfPage = NumByteToWrite / I2C_PageSize;

    /*mod 运算求余，计算出剩余不满一页的字节数*/
    NumOfSingle = NumByteToWrite % I2C_PageSize;

    /* Addr=0,则 WriteAddr 刚好按页对齐 aligned */
    if (Addr == 0)
    {
        /* 如果 NumByteToWrite < I2C_PageSize */
        if (NumOfPage == 0)
        {
            I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
            I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
        }
        /* 如果 NumByteToWrite > I2C_PageSize */
        else
        {
            /*先把整数页都写了*/
            while (NumOfPage--)
            {
                I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, I2C_PageSize);
                I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
                WriteAddr += I2C_PageSize;
                pBuffer += I2C_PageSize;
            }

            /*若有多余的不满一页的数据，把它写完*/
            if (NumOfSingle!=0)
            {
                I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
                I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
            }
        }
    }
    /* 如果 WriteAddr 不是按 I2C_PageSize 对齐 */
    else
    {
        /* 如果 NumByteToWrite < I2C_PageSize */
        if (NumOfPage== 0)
        {
            I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
            I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
        }
        /* 如果 NumByteToWrite > I2C_PageSize */
        else
        {
            /*地址不对齐多出的 count 分开处理，不加入这个运算*/
            NumByteToWrite -= count;
            NumOfPage = NumByteToWrite / I2C_PageSize;
            NumOfSingle = NumByteToWrite % I2C_PageSize;
            /*先把 WriteAddr 所在页的剩余字节写了*/
            if (count != 0)
            {
                I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
                I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
                /*WriteAddr 加上 count 后，地址就对齐到页了*/
                WriteAddr += count;
                pBuffer += count;
            }
            /*把整数页都写了*/
            while (NumOfPage--)
            {
                I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, I2C_PageSize);
                I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
                WriteAddr += I2C_PageSize;
                pBuffer += I2C_PageSize;
            }
            /*若有多余的不满一页的数据，把它写完*/
            if (NumOfSingle != 0)
            {
                I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
                I2C_EE_WaitEepromStandbyState();
            }
        }
    }
}

很多读者觉得这段代码的运算很复杂，看不懂，其实它的主旨就是对输入的数据进行分页(本型号芯片每页 8 个字节)，见表 23-2。通过“整除”计算要写入的数据NumByteToWrite 能写满多少“完整的页”，计算得的值存储在 NumOfPage 中，但有时数据不是刚好能写满完整页的，会多一点出来，通过“求余”计算得出“不满一页的数据个数”就存储在 NumOfSingle 中。计算后通过按页传输 NumOfPage 次整页数据及最后的NumOfSingle 个数据，使用页传输，比之前的单个字节数据传输要快很多。

除了基本的分页传输，还要考虑首地址的问题，见表 23-3。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。

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若 writeAddress=16，计算得 Addr=16%8= 0 ， count=8-0= 8；
同时，若 NumByteToWrite =22，计算得 NumOfPage=22/8= 2， NumOfSingle=22%8= 6
数据传输情况如表 23-2
若 writeAddress=17，计算得 Addr=17%8= 1， count=8-1= 7；
同时，若 NumByteToWrite =22，
先把 count 去掉，特殊处理，计算得新的 NumByteToWrite =22-7= 15
计算得 NumOfPage=15/8= 1， NumOfSingle=15%8= 7。
数据传输情况如表 23-3

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 23-16。

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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 23-10。

代码清单 23-10 从 EEPROM 读取数据

/**
* @brief 从 EEPROM 里面读取一块数据
* @param pBuffer:存放从 EEPROM 读取的数据的缓冲区指针
* @param ReadAddr:接收数据的 EEPROM 的地址
* @param NumByteToRead:要从 EEPROM 读取的字节数
* @retval 正常返回 1，异常返回 0
*/
uint8_t I2C_EE_BufferRead(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr,u16 NumByteToRead)
{
    I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
    while (I2C_GetFlagStatus(EEPROM_I2C, I2C_FLAG_BUSY))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(9);
    }

    /* 产生 I2C 起始信号 */
    I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);
    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV5 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(10);
    }

    /* 发送 EEPROM 设备地址 */
     I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C,EEPROM_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV6 事件并清除标志*/

    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(11);
    }

    /*通过重新设置 PE 位清除 EV6 事件 */
    I2C_Cmd(EEPROM_I2C, ENABLE);

    /* 发送要读取的 EEPROM 内部地址(即 EEPROM 内部存储器的地址) */
    I2C_SendData(EEPROM_I2C, ReadAddr);

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV8 事件并清除标志*/
    while(!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(12);
    }
    /* 产生第二次 I2C 起始信号 */
    I2C_GenerateSTART(EEPROM_I2C, ENABLE);

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV5 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(13);
    }
    /* 发送 EEPROM 设备地址 */
    I2C_Send7bitAddress(EEPROM_I2C, EEPROM_ADDRESS, I2C_Direction_Receiver);

    I2CTimeout = I2CT_FLAG_TIMEOUT;

    /* 检测 EV6 事件并清除标志*/
    while (!I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED))
    {
        if ((I2CTimeout--) == 0) 
            return I2C_TIMEOUT_UserCallback(14);
    }
    /* 读取 NumByteToRead 个数据*/
    while (NumByteToRead)
    {
        /*若 NumByteToRead=1，表示已经接收到最后一个数据了，发送非应答信号，结束传输*/
        if (NumByteToRead == 1)
        {
            /* 发送非应答信号 */
            I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2C, DISABLE);
            /* 发送停止信号 */
            I2C_GenerateSTOP(EEPROM_I2C, ENABLE);
        }
        I2CTimeout = I2CT_LONG_TIMEOUT;
        while (I2C_CheckEvent(EEPROM_I2C, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED)==0)
        {
            if ((I2CTimeout--) == 0) 
                return I2C_TIMEOUT_UserCallback(3);
        }
        {
        /*通过 I2C，从设备中读取一个字节的数据 */
        *pBuffer = I2C_ReceiveData(EEPROM_I2C);
        /* 存储数据的指针指向下一个地址 */
        pBuffer++;

        /* 接收数据自减 */
        NumByteToRead--;
        }
    }

    /* 使能应答，方便下一次 I2C 传输 */
    I2C_AcknowledgeConfig(EEPROM_I2C, ENABLE);
    return 1;
}

参考引用：

野火---《零死角玩转STM32-F429挑战者》
《STM32F4xx中文参考手册》
《Cortex-M4内核编程手册》

posted @ 2019-07-18 21:43 LOXO 阅读(2866) 评论(0) 编辑收藏举报

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