I²C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为低电平时表示无效数据，此时SDA会进行电平切换，为下次数据表示做准备。数据有效性示意图如图 16.1.2 所示。
 I²C起始信号（S）：当SCL高电平时，SDA由高电平向低电平转换；I²C停止信号（P）：当SCL高电平时，SDA由低电平向高电平转换；
I²C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。
 I²C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位如果为0，表示接下来是写操作，即主机传输数据给从机；如果为1，表示接下来是读操作，即从机传输数据给主机；另外，数据传输是从最高位到最低位，因此传输方式为MSB（Most Significant Bit）。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，在SCL为高时，主机由低拉高SDA，表示停止信号，整个传输结束；
16.1.2 EEPROM介绍
EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。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，校准后的配置信息就可以保存在EEPROM里，开发板断电后配置信息不丢失，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的本质上是一样的，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（W25Q64），在后面SPI接口再讲解。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。两者区别这里不再过多赘述，读者理解EEPROM在嵌入式中扮演的角色即可。
EEPROM类型众多，其中比较常见是AT24Cxx系列，从命名上看，AT24Cxx中xx的单位是K Bit，如AT24C08，其存储容量为8K Bit。本开发板上的EEPROM型号为AT24C02，其存储容量为2K Bit，2*1024=2048 Bit。
对于AT24C01/02，每页大小为8 Byte，对于AT24C04/08/16，每页大小为16 Byte。如图 16.1.6 所示，AT24C02由32页（Page）组成，每一页由8个字节（Byte）组成，每个Byte由8位（Bit）组成，Bit为最小存储单位，存放1个0或1。
 I²C设备都会有一个设备地址，不同容量的AT24C02，设备地址定义会有所差异，由芯片数据手册《AT24Cxx.pdf》可知，如图 16.1.7 所示。
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。
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，如果超出一页长度，超出的数据会覆盖原先写入的数据。
如图 16.1.8 所示，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。
 图 16.1.8 AT24Cxx字节写模式时序 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256*8=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，因此图中数据地址的最高位为“*”，意思是对于1K容量的产品，该位无需关心。
图 16.1.10 为AT24Cxx的页写模式时序，与字节写模式的差异在于，不是只发送1Byte数据，而是任意多个。需要注意，该模式不能跨页写，遇到跨页时，需要重新发送完整的时序。  图 16.1.10 AT24Cxx页写模式时序 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，如图 16.1.11 所示。
AT24Cxx支持当前地址读模式、随机地址读模式和顺序读模式。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处读出数据；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，无需发送数据地址，数据地址为上一次读/写操作之后的位置，时序如图 16.1.12 所示，注意在结尾，主机接收数据后，无需产生应答信号。
 图 16.1.12 AT24Cxx当前地址读模式 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，接着再重新发出开始信号，设备地址，读出数据，时序如图 16.1.13 所示。
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，随后便可连续读多个数据，时序如图 16.1.14 所示
 16.2 硬件设计如图 16.2.1 为开发板EEPROM部分的原理图，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。结合原理图可知，PB6作为了I2C1的SCL，PB7作为了I2C1的SDA。
16.3 软件设计
16.3.1 软件设计思路
实验目的：本实验通过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；
本实验配套代码位于“5_程序源码\8_通信—模拟I2C\”。
16.3.2 软件设计讲解
1) GPIO选择与接口定义
首先定义SCL和SDA引脚，引脚的高低电平宏定义，如代码段 16.3.1 所示。
<span]接着将两个GPIO引脚初始化，使能引脚时钟，先默认设置为输出模式。SCL引脚为时钟信号，始终为输出模式，SDA引脚为数据引脚，可能输出或者输入，因此还需要编写函数实现输入、输出的切换，如代码段 16.3.2 所示。 代码段 16.3.2 I2C引脚初始化（driver_i2c.c）
/*
* 函数名：void I2C_Init(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化模拟I2C的引脚为输出状态且SCL/SDA都初始为高电平
*/
void I2C_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
SCL_PIN_CLK_EN();
SDA_PIN_CLK_EN();
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Pin = SCL_PIN;
HAL_GPIO_Init(SCL_PORT, &amp;GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SDA_PIN;
HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &amp;GPIO_InitStruct);
SCL_H();
SDA_H();
}
/*
* 函数名：static void I2C_SDA_OUT(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：配置SDA引脚为输出
*/
static void I2C_SDA_OUT(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Pin = SDA_PIN;
HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &amp;GPIO_InitStruct);
}
/*
* 函数名：static void I2C_SDA_IN(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：配置SDA引脚为输入
*/
static void I2C_SDA_IN(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Pin = SDA_PIN;
HAL_GPIO_Init(SDA_PORT, &amp;GPIO_InitStruct);
}
<span] 参考前面图 16.1.4 所示，编译应答信号，如代码段 16.3.4 所示。
代码段 16.3.4 应答/非应答/等待应答信号（driver_i2c.c）
/*
* 函数名：void I2C_ACK(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：I2C发出应答信号
*/
void I2C_ACK(void)
{
I2C_SDA_OUT();
SCL_L();
I2C_Delay();
SDA_L();
I2C_Delay();
SCL_H();
I2C_Delay();
SCL_L();
I2C_Delay();
}
/*
* 函数名：void I2C_NACK(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：I2C发出非应答信号
*/
void I2C_NACK(void)
{
I2C_SDA_OUT();
SCL_L();
I2C_Delay();
SDA_H();
I2C_Delay();
SCL_H();
I2C_Delay();
SCL_L();
I2C_Delay();
}
/*
* 函数名：uint8_t I2C_GetACK(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：1无应答，0有应答
* 函数作用：I2C等待从机的应答信号
*/
uint8_t I2C_GetACK(void)
{
uint8_t time = 0;
I2C_SDA_IN();
SCL_L();
I2C_Delay();
SDA_H();
I2C_Delay();
SCL_H();
I2C_Delay();
while(SDA_INPUT())
{
time++;
if(time&gt;250)
{
SCL_L();
return 1;
}
}
SCL_L();
return 0;
}- 8~23行：应答信号，在一个SDA时钟周期里，将SCL拉低；
- 32~47行：非应答信号，在一个SDA时钟周期里，将SCL拉高；
- 56~82行：等待应答信号，拉高SDA后放开SDA，读取SDA是否被拉低，如果拉低返回0，否则返回1；
<span] 整个I2C协议函数中，经常用到“ I2C_Delay()”来实现SCL时钟周期。对于AT24Cxx，由其芯片手册可知，时钟脉冲宽度（Clock Pulse Width）需要大于5us，也就是SCL如果刚变为高电平，需要等待至少5us才能变为低电平，因此定义“ I2C_Delay()”为5us以上即可。
#define I2C_Delay() us_timer_delay(5) // Clock Pulse Width &gt;5us<span] 3) AT24C02读写函数
编写好I2C协议函数后，参考AT24C02手册编写读写数据函数，如代码段 16.3.7 所示。
代码段 16.3.7 读写AT24C02一字节数据（driver_eeprom.c）
/*
* 函数名：uint8_t EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data)
* 输入参数：addr -&gt; 写一个字节的EEPROM初始地址
* data -&gt; 要写的数据
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：EEPROM写一个字节
*/
void EEPROM_WriteByte(uint16_t addr, uint8_t data)
{
/* 1. Start */
I2C_Start();
/* 2. Write Device Address */
I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_WR );
/* 3. Data Address */
if(EEPROM_WORD_ADDR_SIZE==0x08)
{
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr &amp; 0x00FF) );
}
else
{
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr&gt;&gt;8) );
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr &amp; 0x00FF) );
}
/* 4. Write a byte */
I2C_SendByte(data);
/* 5. Stop */
I2C_Stop();
}
/*
* 函数名：uint8_t EEPROM_ReadByte(uint16_t addr, uint8_t *pdata)
* 输入参数：addr -&gt; 读一个字节的EEPROM初始地址
* data -&gt; 要读的数据指针
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：EEPROM读一个字节
*/
void EEPROM_ReadByte(uint16_t addr, uint8_t *pdata)
{
/* 1. Start */
I2C_Start();
/* 2. Write Device Address */
I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_WR );
/* 3. Data Address */
if(EEPROM_WORD_ADDR_SIZE==0x08)
{
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr &amp; 0x00FF) );
}
else
{
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr&gt;&gt;8) );
I2C_SendByte( (uint8_t)(addr &amp; 0x00FF) );
}
/* 4. Start Again */
I2C_Start();
/* 5. Write Device Address Read */
I2C_SendByte( EEPROM_DEV_ADDR | EEPROM_RD );
/* 6.Read a byte */
*pdata = I2C_ReadByte(NACK);
/* 7. Stop */
I2C_Stop();
}<span]需要注意的是，AT24Cxx每次写操作后，有一个写间隔，需要间隔5ms以上，因此在写多个字节时，每次写完都需要延时5ms以上。
4) 主函数控制逻辑
在主函数里，每按一下按键，调用“EEPROM_Write_Nbytes()”对AT24C02写一串数据，再调用“EEPROM_Read_Nbytes()”读出该数据，如代码段 16.3.9 所示。
代码段 16.3.9 主函数控制逻辑（main.c）
// 初始化I2C
I2C_Init();
while(1)
{
if(key_flag) // 按键按下
{
key_flag = 0;
printf(&quot;\n\r&quot;);
printf(&quot;Start write and read eeprom.\n\r&quot;);
// 读写一串字符，并打印
EEPROM_Write_NBytes(0, tx_buffer, sizeof(tx_buffer)); // 写数据
HAL_Delay(1);
EEPROM_Read_NBytes(0, rx_buffer, sizeof(tx_buffer)); // 读数据
HAL_Delay(1);
printf(&quot;EEPROM Write: %s\n\r&quot;, tx_buffer);
printf(&quot;EEPROM Read : %s\n\r&quot;, rx_buffer);
memset((uint8_t*)rx_buffer, 0, sizeof(rx_buffer)); // 清空接收的数据
}
} 16.4 实验效果
本实验对应配套资料的“5_程序源码\8_通信—模拟I2C\”。打开工程后，编译，下载，按下按键KEY，即可看到串口如图 16.4.1 所示。
 图 16.4.1 模拟I2C读写AT24C02数据
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