前言

这一篇博客是根据自己的需要，以及为了面试岗位的需求，所以专门来再次学习一遍SPI和IIC两个常用的通信协议。这里使用的开发板是STM32F03_MIN
也希望这篇博客能对你有一定的帮助！

IIC协议

I²C ，通常被读作“I方C”，它是一种多主从架构的串行通信总线。在1980年由飞利浦公司设计，用于让主板，嵌入式系统或手机连接低速周边设别。如今在嵌入式领域是非常常见的通信协议。常用于MPU/MCU与外部设备连接通信，数据传输。

IIC由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过这个地址来访问不同的设备。因为IIC协议比较简单，常常用GPIO来模拟IIC时序，这种方法称为模拟IIC。如果使用MCU的IIC控制器，设置好IIC控制器，IIC控制器就自动实现协议时序，这种方式称为硬件IIC。因为IIC设备的速率比较低，通常两种方式都可以，模拟IIC方便移植，硬件IIC工作效率相对较高。

关于IIC协议，通过老师传学生足球的例子相信大家可以清晰的理解
把老师看作MCU/MPU,学生看作外设设备。
首先老师将球踢给某学生，即主机发送数据给从机，步骤如下：

1. 老师：开始了(start)；
2. 老师： A！我要发球给你！ (地址/方向)；
3. 学生A：到！ (回应)；
4. 老师把球发出去（传输）；
5. A收到球之后，应该告诉老师一声（回应）；
6. 老师：结束（停止）；
   MCU发送数据，需要得到设备的回应，当数据发送完成，MCU自动停止发送，设备也无需回应。

接着老师让学生把球传给自己，即从机发送数据给主机，步骤如下：

1. 老师：开始了(start)；
2. 老师： B！把球发给我！ (地址/方向)；
3. 学生B：到！
4. B把球发给老师（传输）；
5. 老师收到球之后，给B说一声，表示收到球了（回应）；
6. 老师：结束（停止）。

MCU接收外设设备传输的数据时，首先时MCU发送指令让设备发送数据的信号，设备收到后，响应MCU，同时MCU接收到数据时也要回应外设设备。当数据传输完成，MCU自动结束传输。

从上面的例子可知，都是老师（主机）主导传球，按照规范的流程（通信协议），以保证传球的准确性，收发球的流程总结如下：
① 老师说开始了，表示开始信号(start)；
② 老师提醒某个学生要发球，表示发送地址和方向(address/read/write)；
③ 该学生回应老师(ack)；
④ 老师发球/接球，表示数据的传输；
⑤ 收到球要回应：回应信号(ACK)；
⑥ 老师说结束，表示IIC传输结束§。

数据有效性

IIC由两条线组成，一条双向串行数据线SDA，一条串行时钟线SCL。SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。换言之，SCL为高电平时表示有效数据，SDA为高电平表示“1”，低电平表示“0”；SCL为低电平时表示五有效数据，此时SDA会进行电平切换，为下一次数据表示做准备。如下图

开始信号和结束信号

IIC起始信号（S）：当SCL高电平时，SDA由高电平向低电平转换；
IIC停止信号（P）：当SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平转换；

应答信号

IIC每次传输的8位数据，每次传输后需要从机反馈一个应答位，以确认从机是否正常接收了数据。当主机发送了8位数据后，会再产生一个时钟，此时主机放开SDA的控制，读取SDA电平，在上拉电阻的影响下，此时SDA默认为高，必须从机拉低，以确认收到数据。

完整传输流程

IIC完整传输流程如下：

1. SDA和SCL开始都为高，然后主机将SDA拉低，表示开始信号；
2. 在接下来的8个时间周期里，主机控制SDA的高低，发送从机地址。其中第8为如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输给从机；如果是1，表示接下来是读操作。即从机传输数据给主机（确定传输方向）；另外，数据传输是从高位到最低位，因此传输方式位MSB
3. 总线中对应从机地址的设备，发出应答信号；
4. 在接下来的8个时间周期里，如果是写操作，则主机控制SDA的高低；如果是读操作，则从机控制SDA的高低；
5. 每次传输完成，接收数据的设备，都发出应答信号；
6. 最后SCL为高时，主机由低拉高，整个传输结束。

EEPROM介绍

EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读寄存器”。通常用于存放用户配置信息数据，比如在开发板首次运行时，需要屏幕校准，校准后的配置信号就可以保存在EEPROM里，开发板断电后不丢失，下次启动，开发板自动读取EEPROM的校准配置信息，就不需要重新校准。

EEPROM和Flash的本质是一样的，Flash包括MCU内部的Flash和外部扩展的Flash，本开发板就有一个SPI接口的外部Flash，SPI后面会进行介绍。从功能上，Flash通常存放运行代码，运行过程中不会修改，而EEPROM存放用户数据，可能会反复的修改。从结构上，Flash按扇区操作，EEPROM通常按字节操作。两者区别这里就不再过多的讲，理解EEPROM在嵌入式中扮演的角色即可。

结构组成

设备地址

IIC设备都会有一个设备地址，不同容量的ATC2402，设备地址定义会有所差异，由数据手册可知

AT24C02的容量为2K，对应上图中的第一行，高四位固定为“ 1010”，中间三位由A2、 A1、 A0引脚的电平决定，比如A2~0引脚全接地，则值为“000”，最后的最低位为读写位， 0代表写命令， 1代表读命令。A2、 A1、 A0引脚电平需要由原理图决定，假设全接电源地，则如果需要向AT24C02写数据，则发送地址“ 1010 0000”，如果需要向AT24C02读数据，则发送地址“ 1010 0001”。
假设开发板有多个AT24C02挂在同一I²C总线上，通过这个规则，只需设计电路时，让A2、 A1、 A0引脚电平不同，即可区分两个AT24C02。

对于容量再大一点的AT24Cxx系列，比如AT24C04，器件地址由A2、 A1引脚决定，数据空间有P0决定。比如对AT24C04的0_{2K空间操作，则P0为0，对2K}4K空间操作，则P0为1。

写AT24Cxx

AT24Cxx支持字节写模式和页写模式。字节写模式是一个地址一个数据的写；页写模式是连续写数据，一个地址多个数据的写，但是页写模式不能自动跨页，如果超出一页，超出的数据会覆盖原先写入的数据。

如下图为AT24Cxx字节写模式的时序
在MCU发出开始信号（ Start）后，发出8 Bit的设备地址信息（图中读写位为低电平，即写数据），待收到AT24Cxx应答信号后，再发出要写的数据地址，再次等待AT24Cxx应答，最后发出8 Bit数据写数据，待AT24Cxx应答后，发出停止信号（ Stop），完成一次单字
节写数据。

AT24C02容量为2K。因此数据地址范围为0x00~0xFF，即0 ~ 255，每个数据地址每次写1Byte，即8bit，也就刚好2048bit。对于1K容量的产品，数据地址范围为0x00 ~ 0x7F，最高位不会用到，因此下图中数据地址的最高位用“*”表示，意思就是不用关心，不会用

AT24Cxx的页写模式时序，如下图，与字节写模式的差异在于，不是只发送以Byte数据，而是任意多个，需注意，该模式不能跨页写，遇到跨页时，需要重新发送完整的时序。
值得一提的是， 《AT24Cxx.pdf》 里提到每次写完之后，再到下次写之前，需要间隔5ms时间， 以确保上次写操作在芯片内部完成

读AT24Cxx

AT24Cxx支持当前地址读模式、随机地址读模式和顺序地址读模式。
当前地址读模式：就是在上一次读/写操作之后的最后位置，继续读出数据，比如上次读/写在地址n，接下来可以直接从n+1除读出数据；
随机地址读模式：是指定数据地址，然后读出数据；
顺序读模式：是连续读出多个数据。

在当前地址读模式下，无须发送数据地址，数据地址为上一次读/写操作之后的位置，如下所示
注意：主机接收到数据后，无需产生应答信号。

在随机地址读模式下，需要先发送设备地址，待读的数据地址，接着再重新发出信号，设备地址，读出数据

在顺序读模式下，需要先从当前地址读模式或随机地址读模式启动，随后可以连续读多个数据，时序如下

IIC模拟硬件设计

U6为AT24C02芯片，它的A0、 A1、 A2都接地，因此该设备地址为“ 1010 000X”，当读该设备时， X为1，写该设备时， X为0。

U4的7脚为写保护引脚（ Write Protect， WP），当该引脚为高，则禁止写AT24C02，这里直接拉低WP，任何时候都可直接写AT24C02。

此外， I2C的两个脚SCL和SDA都进行了上拉处理，从而保证I2C总线空闲时， 两根线都必须为高电平。
如果没有上拉，在主机发送完数据后，放开SDA，此时SDA的电平状态不确定，可能为高，也可能为低，无法确定是从机拉低给出应答信号。

IIC模拟软件设计

通过GPIO模拟I2C总线时序，对EEPROM设备AT24C02进行读写操作。

1. 引脚初始化： GPIO端口时钟使能、 GPIO引脚设置为输入/输出模式（ PB6、 PB7）；
2. 封装I2C每个环节的时序函数：起始信号、响应信号、读写数据、停止信号；
3. 使用I2C协议函数，实现对AT24C02的读写；
4. 主函数，每按一次按键，写一次AT24C02，接着读出来验证是否和写的数据一致；

源码解析

i2c.h

i2c.c

eeprom.h

eerom.c

timer.h

timer.c

main.c

运行结果

源码

Git

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