一、概述
1. 背景介紹
在微機發展的早期，出現了BIOS（Basic Input Output System），它是個人電腦啟動時加載的第一個軟件，用來完成對系統的加電自檢、各功能模塊的初始化、基本輸入輸出的驅動程序及引導操作系統。人們希望掉電之后 BIOS 數據不能丟失，於是將 BIOS 燒錄到 ROM。事實上它是一組固化到計算機內主板上一個 ROM 芯片上的程序。
最初的最初，BIOS 都是通過一種特殊的燒錄方法燒入 ROM 中的，但是一旦燒進去，你只能讀 ROM，里面的內容是無法更改的。萬一發現錯誤，只能丟棄，換另一塊ROM，重做一遍，這就非常麻煩了。
后來的后來，一位以色列工程師發明了EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory），這種芯片比較奇葩，封裝頂部開了一個透明小窗口，如果要往芯片內部錄入程序，就需要使用強紫外線進行擦除（當然你放到太陽底下也是可以的）。因此，一般情況下為了不破壞內部的數據，就需要用紙來蓋住窗口。好景不長，程序員和硬件工程師還是覺得這樣太麻煩了。
最后的最后，EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory） 登場了，它是一種帶電可擦可編程只讀存儲器 EEPROM，你可以在電腦上或專用設備上擦除已有信息，重新編程，這為許多開發人員提供了便利。
如今，40多年過去了，ROM 早已失去當年的完整意思，不再是曾經的只讀存儲器了，它不僅能讀，還能寫，然而它的名字卻像人類的傳統風俗一樣被保留了下來，成為硬件發展史上的一顆璀璨的明珠。
2. EEPROM簡介
EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器，Electrically Erasable Programmable Read Only Memory） 是用戶可更改的只讀存儲器，其可通過高於普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。
在一個EEPROM中，當計算機在使用的時候可頻繁地反復編程，因此EEPROM的壽命是一個很重要的設計考慮參數。EEPROM是一種特殊形式的閃存，其應用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。一般情況下，EEPROM擁有30萬到100萬次的壽命，也就是它可以反復寫入30-100萬次，而讀取次數是無限的。
二、AT24C02——常用的EEPROM
AT24C02是一個常用的基於 I2C 通信協議的 EEPROM 元件，例如ATMEL公司的AT24C02、CATALYST公司的 CAT24C02 和ST公司的 ST24C02 等芯片。我們實驗板使用的是ATMEL公司的AT24C02（Automotive
Temperature
Serial EEPROM）。
ATMEL公司曾經推出不同型號的EEPROM：AT24C01A、AT24C02、AT24C04、AT24C08A、AT24C16A，分別對應不同容量：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. 電路原理圖
首先需要注意一點：AT24C02采用了 I2C 協議的接口，但這不意味着 EEPROM 就一定要用 I2C 接口，EEPROM 也可以用其它接口。I2C 和 EEPROM 沒有任何聯系。
我們截取了正點原子精英版的電路原理圖：
從圖中可以知道，AT24C02 有8個接口，每個接口的功能如下表所示：
| 引腳名 | 功能 |
|---|---|
| A0-A2 | 地址輸入 |
| SDA | I2C數據總線 |
| SCL | I2C時鍾總線 |
| WP | 寫保護（Write Protect） |
| NC | 無連接（No Connect） |
這里需要特別說明一下 AT24C02 的設備地址的組成。設備地址一共有八位，高四位已經固化為1010，用戶不能修改；低四位中，后三位為可配置的地址位，最低一位為讀寫位（還記得 I2C 的協議層吧，0為寫，1為讀）。如下表所示：
| 1 | 0 | 1 | 0 | A2 | A1 | A0 | R/W |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MSB | LSB |
所以，一般情況下，我們要進行寫操作，設備地址就為1010 0000（十六進制：0xA0）；我們要進行讀操作，設備地址就為1010 0001（十六進制：0xA1）。
我們的電路圖顯示，WP 接地，A2-A0 都接地，SDA 和 SCL 與 MCU 主機相連。
2. 寫操作
（1）按字節寫操作（Byte Write）
與我們之前講的 I2C 協議類似，字節寫入的通訊過程如下：
- 主機產生起始信號和 EEPROM 地址，並且讀寫方向為寫方向（0）。
- 主機發送要寫入數據的地址，EEPROM 收到后會將其存入緩存中，同時發送應答信號。
- 主機發送8位數據至 EEPROM ，EEPROM 將數據存入緩存后，開始往非易失區寫入數據。注意，這個過程需要一定時間，根據官方手冊可知一次寫入過程的最大時間為 5ms，此時 EEPROM 不會響應主機任何的請求，相當於 EEPROM 從 I2C 總線斷開了。
AT24Cxx官方手冊： 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).
- 由於 EEPROM 的寫入時間比 STM32 的運行速度要慢得多，因此 STM32 會誤以為沒有收到應答信號。應答輪詢（ACKNOWLEDGE POLLING） 前來解決這個問題：STM32 再次發送一個起始信號和 EEPROM 地址，當 EEPROM 完成一次寫入周期后，它會發送應答信號至主機。
AT24Cxx官方手冊： 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，主機發送停止信號，一次通訊過程完成。
（2）按頁寫操作（Page Write）
由於按字節寫入多個數據的時候，每次都要發起起始條件和設備地址，十分耗費時間，於是就有了按頁寫入的操作。和字節寫入有區別的是，頁寫入是多個數據寫入，在此期間不需要起始信號，如上圖所示，每成功寫入一次數據，地址加一。
這里需要說明一點，對於 AT24C02 的分頁管理是每8個字節為一頁，它一共有256個字節，所以總頁數為 256 / 8 = 16頁，因此每一次頁寫入操作的是8個字節。例如，下面的地址 0-7 為一頁：
| 數據 | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地址 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
這里還有一個坑，如果你想從地址2到地址9寫入數據（a-h），正好是8個地址，你想通過頁寫將數據寫入，會出現這樣的情況：
（你以為的結果）
| 數據 | a | b | c | d | e | f | g | h | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地址 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
（實際的結果：由於地址8和9是下一頁，且只能對一整塊頁進行操作，不能跨頁寫，所以回到0地址繼續寫，有可能會把原來數據覆蓋掉，這種情況叫 回滾到頁首 。每頁的首地址是與8對齊的，即 addr mod 8 = 0）
| 數據 | g | h | a | b | c | d | e | f | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地址 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
另外，當寫到 EEPROM 的最后一個地址還要往下寫時，會產生溢出，它回到0地址繼續寫。
3. 讀操作
（1）隨機讀操作
注意，這里的隨機指的是可任意讀取一個地址的數據。
和之前寫操作很類似，不過有一個地方不同：在讀取數據之前，STM32 需要將准備讀取的數據的地址寫入到 EEPROM 的緩存區。接下來 STM32 還要發送一次起始信號和設備地址，選擇讀方向（1）。
另外，由於是讀取不是寫入，EEPROM的一次讀取周期比寫入周期快得多，不需要像寫入操作那樣應答輪詢。
（2）順序讀操作
與頁寫不同，順序讀不受頁的限制，你想讀多少就多少。與頁寫類似，不再贅述。
請注意，以上這4種操作請務必熟練掌握！
三、實戰：讀寫EEPROM（單字節操作）
1. 單字節寫入
按照之前的講解，我們可以寫出編寫的思路：
- 產生起始信號
- 發送從機地址
- 發送要寫入數據的地址
- 發送要寫入的數據
- 產生停止信號
/**
* @brief 軟件模擬EEPROM字節寫入
* @param addr:要寫入數據的地址
data:要寫入的數據
* @retval 無
*/
void EEPROM_ByteWrite(uint8_t addr, uint8_t data)
{
/* 產生起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
/* 發送要寫入數據的地址 */
I2C_SendData(I2Cx, addr);
/* 檢測EV8事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
/* 發送要寫入的數據 */
I2C_SendData(I2Cx, data);
/* 檢測EV8_2事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS );
/* 產生停止信號 */
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
/* 重新使能ACK */
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}
2. 單字節讀取
按照之前的講解，我們可以寫出編寫的思路：
- 產生起始信號
- 發送從機地址
- 發送要讀取數據的地址
- 再產生一次起始信號
- 發送從機地址
- 讀取數據
- 產生停止信號
/**
* @brief 軟件模擬EEPROM隨機讀取
* @param addr:要讀取數據的地址
*data:要接收數據的容器
* @retval 無
*/
void EEPROM_RandomRead(uint8_t addr, uint8_t* data)
{
/* 產生第一次起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );
/* 發送要讀取數據的地址 */
I2C_SendData(I2Cx, addr);
/* 檢測EV8事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
/* 產生第二次起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Receiver);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
/* 檢測EV7事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS );
/* 讀取數據寄存器中的數據 */
*data = I2C_ReceiveData(I2Cx);
/* 產生停止信號 */
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
/* 重新使能ACK */
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}
3. 需要注意的問題
我們在 main 函數調用以上兩個函數進行實驗：
#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("這是一個IIC通訊實驗\n");
EEPROM_ByteWrite(addr, data);
EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);
printf("發送和接收成功！數據為：%d\n", data_rec);
LED0_OFF;
LED1_ON;
while(1)
{
}
}
我們預期的結果是兩條 printf 語句都被執行，然而實際結果是只輸出了“這是一個IIC通訊實驗”，后面的內容並沒有輸出，這是怎么一回事呢？通過 debug 進行程序調試，我們發現程序卡死在了這條語句上（EEPROM_RandomRead函數內第一次檢測 EV6 事件時發生死循環）：
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );
這是為什么呢？原來是 EEPROM 寫入周期較長，人家還沒寫完呢，STM32 就要開始讀取數據了，發送過去的起始信號和從機地址人家收不到，不會產生應答，接着開始檢測 EV5 和 EV6 事件了，就會一直產生 ERROR，就發生死循環了。
所以，大家可以試一下，如果在以下兩個語句加上斷點進行調試的話，輸出結果是正確的。因為運行到斷點時程序會暫停，給了 EEPROM 充足的時間寫入數據，而且也將 STM32 的操作也暫停了。
EEPROM_ByteWrite(addr, data);
EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);
因此我們要做的是：必須確保 EEPROM 寫完后，STM32 才能發起讀取操作。這里有兩個辦法：一是直接在寫操作和讀操作之間加個延時函數，等待 5ms 再去讀取數據；二是檢測 EEPROM 是否可以產生應答，如果 STM32 收到應答，那么說明 EEPROM 完成了寫入，可以進行讀取操作了。這里我們直接給出第二種辦法的代碼：
/**
* @brief 等待EEPROM寫入完成
* @param 無
* @retval 無
*/
void EEPROM_WaitForWriteEnd(void)
{
do{
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
while( I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_SB) == RESET );
/* EV5事件被檢測到，發送設備地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
}while( I2C_GetFlagStatus(I2Cx, I2C_FLAG_ADDR) == RESET );
/* EEPROM內部時序完成傳輸完成 */
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
}
這里說明一下，如果用I2C_CheckEvent函數進行檢測，那么也會出現卡死的情況。這個涉及到 event 的清除原理，本人還不是很懂，就沒去深究了。
在 main 函數加入等待函數，問題解決：
EEPROM_ByteWrite(addr, data);
EEPROM_WaitForWriteEnd();
EEPROM_RandomRead(addr, &data_rec);
四、實戰：讀寫EEPROM（多字節操作）
和上面的思路類似，這里不再贅述。程序均已通過驗證，沒有問題。
1. 頁寫入
這個函數我在調用時曾經出現一次卡死的情況，不太清楚什么原因，因為后來又沒發生這種情況，可能這種簡單的寫法不太穩定吧。
/**
* @brief 軟件模擬EEPROM頁寫入
* @param addr:要寫入數據的地址
*data:數組的首地址
num:數據個數
* @retval 無
*/
void EEPROM_PageWrite(uint8_t addr, uint8_t *data, uint8_t num)
{
/* 產生起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
/* 發送要寫入數據的地址 */
I2C_SendData(I2Cx, addr);
/* 檢測EV8事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
while(num--)
{
/* 發送要寫入的數據 */
I2C_SendData(I2Cx, *data);
/* 檢測EV8_2事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED) != SUCCESS );
data++;
}
/* 產生停止信號 */
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
/* 重新使能ACK */
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}
2. 連續讀取
/**
* @brief 軟件模擬EEPROM連續讀取
* @param addr:要讀取數據的地址
*data:要接收數據的容器
num:數據個數
* @retval 無
*/
void EEPROM_SeqRead(uint8_t addr, uint8_t* data, uint8_t num)
{
/* 產生第一次起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Transmitter);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED ) != SUCCESS );
/* 發送要讀取數據的地址 */
I2C_SendData(I2Cx, addr);
/* 檢測EV8事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING) != SUCCESS );
/* 產生第二次起始信號 */
I2C_GenerateSTART(I2Cx, ENABLE);
/* 檢測EV5事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) != SUCCESS );
/* 發送7位從機地址 */
I2C_Send7bitAddress(I2Cx, EEPROM_ADDR, I2C_Direction_Receiver);
/* 檢測EV6事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED) != SUCCESS );
while(num--)
{
/* 檢測EV7事件 */
while( I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED) != SUCCESS );
/* 讀取數據寄存器中的數據 */
*data = I2C_ReceiveData(I2Cx);
data++;
}
/* 產生停止信號 */
I2C_GenerateSTOP(I2Cx, ENABLE);
/* 重新使能ACK */
I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, ENABLE);
}
暫時先寫到這，鑒於程序還有可改進之處，以后可能會有補充。