STM32学习笔记（9）——（I2C续）读写EEPROM

一、概述

1. 背景介绍

在微机发展的早期，出现了BIOS（Basic Input Output System），它是个人电脑启动时加载的第一个软件，用来完成对系统的加电自检、各功能模块的初始化、基本输入输出的驱动程序及引导操作系统。人们希望掉电之后 BIOS 数据不能丢失，于是将 BIOS 烧录到 ROM。事实上它是一组固化到计算机内主板上一个 ROM 芯片上的程序。

最初的最初，BIOS 都是通过一种特殊的烧录方法烧入 ROM 中的，但是一旦烧进去，你只能读 ROM，里面的内容是无法更改的。万一发现错误，只能丢弃，换另一块ROM，重做一遍，这就非常麻烦了。

后来的后来，一位以色列工程师发明了EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory），这种芯片比较奇葩，封装顶部开了一个透明小窗口，如果要往芯片内部录入程序，就需要使用强紫外线进行擦除（当然你放到太阳底下也是可以的）。因此，一般情况下为了不破坏内部的数据，就需要用纸来盖住窗口。好景不长，程序员和硬件工程师还是觉得这样太麻烦了。

最后的最后，EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory） 登场了，它是一种带电可擦可编程只读存储器 EEPROM，你可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程，这为许多开发人员提供了便利。

如今，40多年过去了，ROM 早已失去当年的完整意思，不再是曾经的只读存储器了，它不仅能读，还能写，然而它的名字却像人类的传统风俗一样被保留了下来，成为硬件发展史上的一颗璀璨的明珠。

2. EEPROM简介

EEPROM（带电可擦可编程只读存储器，Electrically Erasable Programmable Read Only Memory） 是用户可更改的只读存储器，其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。

在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。一般情况下，EEPROM拥有30万到100万次的寿命，也就是它可以反复写入30-100万次，而读取次数是无限的。

二、AT24C02——常用的EEPROM

AT24C02是一个常用的基于 I2C 通信协议的 EEPROM 元件，例如ATMEL公司的AT24C02、CATALYST公司的 CAT24C02 和ST公司的 ST24C02 等芯片。我们实验板使用的是ATMEL公司的AT24C02（Automotive
Temperature
Serial EEPROM）。

ATMEL公司曾经推出不同型号的EEPROM：AT24C01A、AT24C02、AT24C04、AT24C08A、AT24C16A，分别对应不同容量：1K (128 x 8)、2K (256 x 8)、4K (512 x 8)、8K (1024 x 8)、16K (2048 x 8)。

AT24C02的容量描述如下：

AT24C02, 2K SERIAL EEPROM: Internally organized with 32 pages of 8 bytes each,
the 2K requires an 8-bit data word address for random word addressing.

1. 电路原理图

首先需要注意一点：AT24C02采用了 I2C 协议的接口，但这不意味着 EEPROM 就一定要用 I2C 接口，EEPROM 也可以用其它接口。I2C 和 EEPROM 没有任何联系。

我们截取了正点原子精英版的电路原理图：

从图中可以知道，AT24C02 有8个接口，每个接口的功能如下表所示：

引脚名	功能
A0-A2	地址输入
SDA	I2C数据总线
SCL	I2C时钟总线
WP	写保护（Write Protect）
NC	无连接（No Connect）

这里需要特别说明一下 AT24C02 的设备地址的组成。设备地址一共有八位，高四位已经固化为1010，用户不能修改；低四位中，后三位为可配置的地址位，最低一位为读写位（还记得 I2C 的协议层吧，0为写，1为读）。如下表所示：

1	0	1	0	A2	A1	A0	R/W
MSB							LSB

所以，一般情况下，我们要进行写操作，设备地址就为1010 0000（十六进制：0xA0）；我们要进行读操作，设备地址就为1010 0001（十六进制：0xA1）。

我们的电路图显示，WP 接地，A2-A0 都接地，SDA 和 SCL 与 MCU 主机相连。

2. 写操作

（1）按字节写操作（Byte Write）

与我们之前讲的 I2C 协议类似，字节写入的通讯过程如下：

• 主机产生起始信号和 EEPROM 地址，并且读写方向为写方向（0）。
• 主机发送要写入数据的地址，EEPROM 收到后会将其存入缓存中，同时发送应答信号。
• 主机发送8位数据至 EEPROM ，EEPROM 将数据存入缓存后，开始往非易失区写入数据。注意，这个过程需要一定时间，根据官方手册可知一次写入过程的最大时间为 5ms，此时 EEPROM 不会响应主机任何的请求，相当于 EEPROM 从 I2C 总线断开了。

AT24Cxx官方手册： At this time the EEPROM enters an internally timed write cycle, tWR (Write Cycle Time, Max = 5 ms) , to the nonvolatile memory. All inputs are disabled during this write cycle and the EEPROM will not respond until the
write is complete (see Figure 8 on page 10).

• 由于 EEPROM 的写入时间比 STM32 的运行速度要慢得多，因此 STM32 会误以为没有收到应答信号。应答轮询（ACKNOWLEDGE POLLING） 前来解决这个问题：STM32 再次发送一个起始信号和 EEPROM 地址，当 EEPROM 完成一次写入周期后，它会发送应答信号至主机。

AT24Cxx官方手册： ACKNOWLEDGE POLLING: Once the internally timed write cycle has started and the
EEPROM inputs are disabled, acknowledge polling can be initiated. This involves sending a start condition followed by the device address word. The read/write bit is representative of the operation desired. Only if the internal write cycle has completed will the EEPROM respond with a “0”, allowing the read or write sequence to continue.

• 最后，主机发送停止信号，一次通讯过程完成。

（2）按页写操作（Page Write）

由于按字节写入多个数据的时候，每次都要发起起始条件和设备地址，十分耗费时间，于是就有了按页写入的操作。和字节写入有区别的是，页写入是多个数据写入，在此期间不需要起始信号，如上图所示，每成功写入一次数据，地址加一。

这里需要说明一点，对于 AT24C02 的分页管理是每8个字节为一页，它一共有256个字节，所以总页数为 256 / 8 = 16页，因此每一次页写入操作的是8个字节。例如，下面的地址 0-7 为一页：

数据
地址	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

这里还有一个坑，如果你想从地址2到地址9写入数据（a-h），正好是8个地址，你想通过页写将数据写入，会出现这样的情况：

（你以为的结果）

数据			a	b	c	d	e	f	g	h
地址	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

（实际的结果：由于地址8和9是下一页，且只能对一整块页进行操作，不能跨页写，所以回到0地址继续写，有可能会把原来数据覆盖掉，这种情况叫 回滚到页首 。每页的首地址是与8对齐的，即 addr mod 8 = 0）

数据	g	h	a	b	c	d	e	f
地址	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

另外，当写到 EEPROM 的最后一个地址还要往下写时，会产生溢出，它回到0地址继续写。

3. 读操作

（1）随机读操作

注意，这里的随机指的是可任意读取一个地址的数据。

和之前写操作很类似，不过有一个地方不同：在读取数据之前，STM32 需要将准备读取的数据的地址写入到 EEPROM 的缓存区。接下来 STM32 还要发送一次起始信号和设备地址，选择读方向（1）。

另外，由于是读取不是写入，EEPROM的一次读取周期比写入周期快得多，不需要像写入操作那样应答轮询。

（2）顺序读操作

与页写不同，顺序读不受页的限制，你想读多少就多少。与页写类似，不再赘述。

请注意，以上这4种操作请务必熟练掌握！

三、实战：读写EEPROM（单字节操作）

1. 单字节写入

按照之前的讲解，我们可以写出编写的思路：

• 产生起始信号
• 发送从机地址
• 发送要写入数据的地址
• 发送要写入的数据
• 产生停止信号

/**
  * @brief  软件模拟EEPROM字节写入
  * @param  addr:要写入数据的地址
			data:要写入的数据
  * @retval	无
  */
void EEPROM_ByteWrite(uint8_t addr, uint8_t data)
{
	/* 产生起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
	
	/* 发送要写入数据的地址 */
	I2C_SendData(I2Cx, addr);
	/* 检测EV8事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
	
	/* 发送要写入的数据 */
	I2C_SendData(I2Cx, data);
	/* 检测EV8_2事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS );
	
	/* 产生停止信号 */
	I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);	
	/* 重新使能ACK */
	I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}

2. 单字节读取

按照之前的讲解，我们可以写出编写的思路：

• 产生起始信号
• 发送从机地址
• 发送要读取数据的地址
• 再产生一次起始信号
• 发送从机地址
• 读取数据
• 产生停止信号

/**
  * @brief  软件模拟EEPROM随机读取
  * @param  addr:要读取数据的地址
			*data:要接收数据的容器
  * @retval	无
  */
void EEPROM_RandomRead(uint8_t addr, uint8_t* data)
{
	/* 产生第一次起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );
	/* 发送要读取数据的地址 */
	I2C_SendData(I2Cx, addr);
	/* 检测EV8事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
	
	/* 产生第二次起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Receiver);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
	
	/* 检测EV7事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS );
	/* 读取数据寄存器中的数据 */
	*data = I2C_ReceiveData(I2Cx);
	
	/* 产生停止信号 */
	I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
	/* 重新使能ACK */
	I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);	
}

3. 需要注意的问题

我们在 main 函数调用以上两个函数进行实验：

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "i2c.h"
#include "led.h"

uint8_t data = 45;
uint8_t data_rec = 0;
uint8_t addr = 11;

int main(void)
{		
	LED_Init();
	USART_Config();
	I2C_Config();
	
	LED0_ON;
	LED1_OFF;
	printf("这是一个IIC通讯实验\n");
	
	EEPROM_ByteWrite(addr, data);
	EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);
	
	printf("发送和接收成功！数据为：%d\n", data_rec);
	LED0_OFF;
	LED1_ON;
	
	while(1)
	{
		
	}
}

我们预期的结果是两条 printf 语句都被执行，然而实际结果是只输出了“这是一个IIC通讯实验”，后面的内容并没有输出，这是怎么一回事呢？通过 debug 进行程序调试，我们发现程序卡死在了这条语句上（EEPROM_RandomRead函数内第一次检测 EV6 事件时发生死循环）：

while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );

这是为什么呢？原来是 EEPROM 写入周期较长，人家还没写完呢，STM32 就要开始读取数据了，发送过去的起始信号和从机地址人家收不到，不会产生应答，接着开始检测 EV5 和 EV6 事件了，就会一直产生 ERROR，就发生死循环了。

所以，大家可以试一下，如果在以下两个语句加上断点进行调试的话，输出结果是正确的。因为运行到断点时程序会暂停，给了 EEPROM 充足的时间写入数据，而且也将 STM32 的操作也暂停了。

EEPROM_ByteWrite(addr, data);
EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);

因此我们要做的是：必须确保 EEPROM 写完后，STM32 才能发起读取操作。这里有两个办法：一是直接在写操作和读操作之间加个延时函数，等待 5ms 再去读取数据；二是检测 EEPROM 是否可以产生应答，如果 STM32 收到应答，那么说明 EEPROM 完成了写入，可以进行读取操作了。这里我们直接给出第二种办法的代码：

 /**
  * @brief  等待EEPROM写入完成
  * @param  无
  * @retval	无
  */
void EEPROM_WaitForWriteEnd(void)
{
	do{
		I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
		while( I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_SB) == RESET );
		/* EV5事件被检测到，发送设备地址 */
		I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
	}while( I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_ADDR) == RESET );

	/* EEPROM内部时序完成传输完成 */
	I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);	
}

这里说明一下，如果用I2C_CheckEvent函数进行检测，那么也会出现卡死的情况。这个涉及到 event 的清除原理，本人还不是很懂，就没去深究了。

在 main 函数加入等待函数，问题解决：

EEPROM_ByteWrite(addr, data);
EEPROM_WaitForWriteEnd();
EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);

四、实战：读写EEPROM（多字节操作）

和上面的思路类似，这里不再赘述。程序均已通过验证，没有问题。

1. 页写入

这个函数我在调用时曾经出现一次卡死的情况，不太清楚什么原因，因为后来又没发生这种情况，可能这种简单的写法不太稳定吧。

/**
  * @brief  软件模拟EEPROM页写入
  * @param  addr:要写入数据的地址
			*data:数组的首地址
			num:数据个数
  * @retval	无
  */
void EEPROM_PageWrite(uint8_t addr, uint8_t *data, uint8_t num)
{
	/* 产生起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
	
	/* 发送要写入数据的地址 */
	I2C_SendData(I2Cx, addr);
	/* 检测EV8事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
	
	while(num--)
	{
		/* 发送要写入的数据 */
		I2C_SendData(I2Cx, *data);
		/* 检测EV8_2事件 */
		while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS );
		data++;
	}
	
	/* 产生停止信号 */
	I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);	
	/* 重新使能ACK */
	I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}

2. 连续读取

 /**
  * @brief  软件模拟EEPROM连续读取
  * @param  addr:要读取数据的地址
			*data:要接收数据的容器
			num:数据个数
  * @retval	无
  */
void EEPROM_SeqRead(uint8_t addr, uint8_t* data, uint8_t num)
{
	/* 产生第一次起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );
	/* 发送要读取数据的地址 */
	I2C_SendData(I2Cx, addr);
	/* 检测EV8事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
	
	/* 产生第二次起始信号 */
	I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
	/* 检测EV5事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
	/* 发送7位从机地址 */
	I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Receiver);
	/* 检测EV6事件 */
	while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
	
	while(num--)
	{
		/* 检测EV7事件 */
		while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS );
		/* 读取数据寄存器中的数据 */
		*data = I2C_ReceiveData(I2Cx);
		data++;
	}
	
	/* 产生停止信号 */
	I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
	/* 重新使能ACK */
	I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);	
}

暂时先写到这，鉴于程序还有可改进之处，以后可能会有补充。