國(guó)科安芯推出的AS32X601系列MCU芯片內(nèi)置的I2C模塊提供了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線串行制接口，可用于MCU和外部I2C設(shè)備的通訊。I2C總線使用兩條串行線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL。 I2C接口模塊實(shí)現(xiàn)了I2C協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式，支持多主機(jī)I2C總線架構(gòu)。其標(biāo)準(zhǔn)模式為100K，快速模式400K。而EEPROM，作為一種支持字節(jié)級(jí)單獨(dú)擦寫、數(shù)據(jù)掉電不丟失的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量（從幾字節(jié)到數(shù)百千字節(jié)）恰好滿足了大量嵌入式應(yīng)用對(duì)中小規(guī)模非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。將EEPROM與并行地址/數(shù)據(jù)總線相連的傳統(tǒng)方式會(huì)占用大量I/O口，在引腳資源緊張的微控制器（如眾多8位、32位MCU）上顯得笨重且不經(jīng)濟(jì)，因此，AS32X601系列開發(fā)板搭載了一塊24C02 eeprom。本文旨在系統(tǒng)闡述I2C EEPROM的工作原理與核心操作流程。內(nèi)容將涵蓋I2C通信的基本框架，EEPROM的器件尋址方式，以及針對(duì)字節(jié)寫入等關(guān)鍵流程

一、硬件設(shè)計(jì)

二、I2C時(shí)序

①Start開始信號(hào)、Stop停止信號(hào)：

這兩個(gè)信號(hào)由主機(jī)產(chǎn)生，不屬于數(shù)據(jù)域交互：

在SCL的高電平時(shí)，主機(jī)將SDA的電平由 高–>低是Start信號(hào)（下降沿）；

在SCL的高電平時(shí)，主機(jī)將SDA的電平由 低–>高是Stop信號(hào)（上升沿）；

②7位尋址

AS32X601的I2C只支持7位尋址模式，配置過(guò)程中從機(jī)地址需要左移1位才為實(shí)際地址。

③數(shù)據(jù)方向

0寫/1讀

④應(yīng)答ACK、非應(yīng)答NACK

在SCL的一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，從機(jī)在SCL的高電平時(shí)，將SDA的電平由高拉低(或者繼續(xù)保持低電平狀態(tài)) 則是ACK信號(hào)；

從機(jī)在SCL的高電平時(shí)，如果SDA的電平一直是 高電平 則是NACK信號(hào)；

三、時(shí)鐘

I2C0、I2C1時(shí)鐘來(lái)自APB0，I2C2、I2C3時(shí)鐘來(lái)自ABP1。具體配置可見I2C_CTLR寄存器。

四、I2C初始化

1.配置I2Cx需要的GPIO為復(fù)用功能。

2.通過(guò)配置I2C_INITSTRUCT初始化I2Cx，包括時(shí)鐘分頻，從機(jī)地址，ACK，高低電平時(shí)間等

3.按需求配置中斷，并配置IRQ_HANDLER；

4.調(diào)用收發(fā)接口，并處理數(shù)據(jù)

五、如何操作EEPROM

5.1按字節(jié)寫入函數(shù)

FlagStatus I2C_MEEPROMWriteByte(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint16_t data, uint32_t timeout)

{

unsigned int num;

/ 等待總線釋放 /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStart(I2Cx);

/ 等待啟動(dòng)信號(hào)完成 /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))

{

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成地址并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == RESET)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成數(shù)據(jù)并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, data);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成數(shù)據(jù)并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return 1;

}

代碼執(zhí)行流程詳細(xì)解釋如下：

等待總線空閑：函數(shù)首先進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，反復(fù)檢查I2C總線是否處于空閑（I2C_BUS_IDLE）狀態(tài)。如果總線被占用（忙狀態(tài)），它會(huì)嘗試通過(guò)調(diào)用I2C_StartClear和I2C_GenerateStop來(lái)清除可能的異常狀態(tài)并發(fā)送停止信號(hào)，試圖釋放總線。每次循環(huán)都會(huì)遞減超時(shí)計(jì)數(shù)器timeout并延遲1毫秒。如果timeout減到0，函數(shù)會(huì)返回RESET。這個(gè)步驟確保了本次傳輸開始時(shí)總線是可用的。

發(fā)起起始條件：確認(rèn)總線空閑后，函數(shù)調(diào)用I2C_GenerateStart在I2C總線上產(chǎn)生一個(gè)起始條件（Start Condition），這標(biāo)志著一次傳輸序列的開始。

等待起始條件完成：緊接著，函數(shù)進(jìn)入另一個(gè)循環(huán)，等待起始條件成功發(fā)出的狀態(tài)（MASTER_START_READY）。同樣，這里也有超時(shí)檢查和1ms延遲，防止程序死鎖。超時(shí)則返回失敗。

發(fā)送從機(jī)地址（寫模式）：起始條件成功后，函數(shù)調(diào)用I2C_Send7bitAddress，將參數(shù)addr（EEPROM的7位設(shè)備地址）和寫操作位（I2C_WRITE，通常值為0）組合成一個(gè)8位字節(jié)發(fā)送出去。隨后清除相關(guān)狀態(tài)和中斷標(biāo)志。

等待從機(jī)地址應(yīng)答：函數(shù)循環(huán)等待從設(shè)備（EEPROM）對(duì)收到地址的應(yīng)答信號(hào)（MSEND_WADDR_ACK）。如果EEPROM存在于總線上并識(shí)別出自己的地址，它會(huì)拉低SDA線作為應(yīng)答（ACK）。函數(shù)檢測(cè)到這個(gè)狀態(tài)才能繼續(xù)。此處有一個(gè)代碼瑕疵：超時(shí)判斷寫成了(timeout--) == RESET，雖然RESET很可能定義為0，但不如其他地方的== 0直觀統(tǒng)一。超時(shí)或失敗會(huì)發(fā)送停止條件并返回失敗。

發(fā)送EEPROM內(nèi)部存儲(chǔ)地址（存在嚴(yán)重錯(cuò)誤）：地址應(yīng)答后，函數(shù)準(zhǔn)備發(fā)送要寫入的EEPROM內(nèi)部單元地址reg。這是一個(gè)關(guān)鍵錯(cuò)誤。對(duì)于16位地址的EEPROM（如reg是uint16_t），需要發(fā)送兩個(gè)字節(jié)：先發(fā)送高8位，再發(fā)送低8位。但代碼中I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0))的reg >> 0等于reg本身，所以它只發(fā)送了reg的低8位，完全遺漏了高8位。這會(huì)導(dǎo)致寫入到錯(cuò)誤的EEPROM位置。

等待內(nèi)部地址字節(jié)應(yīng)答：發(fā)送（不完整的）地址字節(jié)后，循環(huán)等待EEPROM對(duì)此數(shù)據(jù)字節(jié)的應(yīng)答（MSEND_DATA_ACK）。有超時(shí)處理。

發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)：收到地址字節(jié)應(yīng)答后，調(diào)用I2C_SendData(I2Cx, data)發(fā)送數(shù)據(jù)。這里有一個(gè)潛在問題：參數(shù)data是uint16_t類型，但函數(shù)被命名為WriteByte，且I2C_SendData通常發(fā)送一個(gè)字節(jié)。這里發(fā)生了隱式截?cái)啵挥衐ata的低8位被發(fā)送出去。函數(shù)意圖和參數(shù)類型不匹配。

等待數(shù)據(jù)字節(jié)應(yīng)答：再次循環(huán)等待EEPROM對(duì)收到數(shù)據(jù)字節(jié)的應(yīng)答。有超時(shí)處理。

結(jié)束傳輸：數(shù)據(jù)成功發(fā)送并得到應(yīng)答后，函數(shù)調(diào)用I2C_GenerateStop產(chǎn)生停止條件（Stop Condition），結(jié)束本次I2C通信。然后清除中斷標(biāo)志。

5.2讀函數(shù)

FlagStatus I2C_MEEPROMRead(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint8_t* pData, uint32_t Size, uint32_t timeout)

{

uint32_t num = 0x00;

/ 等待總線釋放 /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);

I2C_GenerateStart(I2Cx);

/ 等待啟動(dòng)信號(hào)完成 /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成地址并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 8));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成數(shù)據(jù)并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return 0;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成數(shù)據(jù)并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStart(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成數(shù)據(jù)并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_REPEAT))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_READ);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/ 等待從機(jī)接收完成地址并發(fā)送ack /

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_RADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

for (num = 0; num < Size; num++)

{

if (num == (Size - 1))

{

/* IIC sends NACK */

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_NACK);

}

else

{

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);

}

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/* Wait for the slave to send the completed data, and the host will send an ack */

while (!(I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_ACK) || I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_NACK)))

{

if ((Timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

*pData++ = I2C_ReceiveData(I2Cx);

}

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return SET;

}

代碼執(zhí)行流程詳細(xì)解釋如下：

函數(shù)參數(shù)說(shuō)明：

I2Cx: I2C外設(shè)指針

addr: EEPROM設(shè)備地址（7位）

reg: EEPROM內(nèi)部起始地址（16位）

pData: 指向接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針

Size: 要讀取的字節(jié)數(shù)

timeout: 超時(shí)計(jì)數(shù)值（注意：函數(shù)內(nèi)部有一處拼寫錯(cuò)誤寫成了Timeout）

代碼執(zhí)行流程詳細(xì)解釋：

等待總線空閑 ：函數(shù)首先檢查I2C總線是否空閑（I2C_BUS_IDLE）。如果總線忙，執(zhí)行清理操作（I2C_StartClear）并發(fā)送停止信號(hào)（I2C_GenerateStop），嘗試釋放總線。每次循環(huán)都遞減超時(shí)計(jì)數(shù)器并延遲1ms，超時(shí)則返回RESET。

配置應(yīng)答 ：調(diào)用I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK)使能主設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)答功能，這是為后續(xù)接收數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

發(fā)起起始條件 ：生成起始條件（I2C_GenerateStart）開始傳輸，并等待起始條件成功（MASTER_START_READY）。超時(shí)則清理總線并返回失敗。

發(fā)送設(shè)備地址（寫模式） ：發(fā)送EEPROM的7位地址和寫方向位（I2C_WRITE），因?yàn)镋EPROM讀取操作需要先發(fā)送要讀取的內(nèi)部地址，這相當(dāng)于一個(gè)"偽寫"操作。清除相關(guān)狀態(tài)后，等待EEPROM應(yīng)答地址（MSEND_WADDR_ACK）。

發(fā)送重復(fù)起始條件 ：為了從寫操作切換到讀操作，需要發(fā)送一個(gè)重復(fù)起始條件（Repeated Start）。調(diào)用I2C_GenerateStart，然后等待重復(fù)起始條件完成（MASTER_START_REPEAT）。這是I2C協(xié)議中在不釋放總線的情況下改變數(shù)據(jù)傳輸方向的標(biāo)準(zhǔn)做法。

發(fā)送設(shè)備地址（讀模式） ：再次發(fā)送EEPROM的7位地址，但這次帶讀方向位（I2C_READ）。等待EEPROM對(duì)此讀地址的應(yīng)答（MSEND_RADDR_ACK）。

循環(huán)接收數(shù)據(jù) ：這是函數(shù)的核心部分，循環(huán)接收Size個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)：

在接收倒數(shù)第二個(gè)字節(jié)時(shí)（num == (Size - 1)），將主設(shè)備的應(yīng)答配置為不應(yīng)答（I2C_IICAA_NACK），這是I2C協(xié)議規(guī)定的：主設(shè)備在接收最后一個(gè)字節(jié)前發(fā)送不應(yīng)答信號(hào)，通知從設(shè)備停止發(fā)送。

對(duì)于其他字節(jié)，使能應(yīng)答（I2C_IICAA_ACK）。

等待從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)完成的狀態(tài)（MREAD_DATA_ACK或MREAD_DATA_NACK）。這里使用了邏輯或||，表示等待任意一種接收完成狀態(tài)。

從I2C數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)（I2C_ReceiveData(I2Cx)）并存儲(chǔ)到pData指向的緩沖區(qū)，然后指針遞增。

結(jié)束傳輸 ：所有數(shù)據(jù)接收完成后，生成停止條件（I2C_GenerateStop）結(jié)束本次I2C通信，清除相關(guān)狀態(tài)。

六、下板驗(yàn)證

我們操作I2C寫入0~0x3f數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：

操作波形如圖：

讀取完最后一個(gè)數(shù)據(jù)后發(fā)送NACK：

審核編輯 黃宇