本帖最后由 DKENNY 于 2025-1-16 15:27 编辑
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前言
一般来说，一些常用的芯片在开发时，即使不熟悉，也可以参考网上现有的例程，对于一些不常用的芯片，DataSheet就是使用这款芯片的唯一资料，那么这时候就需要根据DataSheet的时序图写出对应的驱动程序。
这篇文章，我将手把手地教你怎么看芯片的数据手册，并根据时序图写出对应的驱动代码，以AT24C02这个模块为例，这款芯片是使用I2C协议通信的一款EEPROM模块。
1、手册分析
我们获取这个模块的手册后（由于本文章主要是驱动代码的实现，主要就分析关于通信方面的了），我们看看其接线及引脚分布图，可以确定这款芯片是使用I2C协议进行通信的。
接下来，看看相关的引脚描述，可以确定我们对应的GPIO的配置方法。
可以看到，这个模块的SDA引脚是配置成开漏输出的。这里我们是从软件层面重新编写这个驱动，我们先不考虑。
我们知道I2C协议给每个主机（从机）都会分配一个地址，主从机之间的通信也是通过这个地址进行的，我们往下看手册，看看这个模块的地址是怎么确定的。
可以看到，AT24CXX整个系列通信关于地址及数据发送是有区别的，我这里整理了一个表格。
型号
| 内部组织
| 随机字地址位
| 设备地址位配置
| 读/写选择位
| AT24C01A
| 16 页，每页 8 字节
| 7 位
| 1 0 1 0 A2 A1 A0
| 第 8 位
| AT24C02
| 32 页，每页 8 字节
| 8 位
| 1 0 1 0 A2 A1 A0
| 第 8 位
| AT24C04
| 32 页，每页 16 字节
| 9 位
| 1 0 1 0 A2 A1 -
| 第 8 位
| AT24C08A
| 64 页，每页 16 字节
| 10 位
| 1 0 1 0 A2 - -
| 第 8 位
| AT24C16A
| 128 页，每页 16 字节
| 11 位
| 1 0 1 0 - - -
| 第 8 位
|
说明：
- 内部组织：显示每个 EEPROM 的存储结构。
- 随机字地址位：表示访问随机存储位置所需的位数。
- 设备地址位配置：展示设备地址的固定部分和可配置部分。
- 读/写选择位：第 8 位用于选择读或写操作。如果该位为高，则为读操作；如果为低，则为写操作。
一般来说，AT24CXX 系列 EEPROM 的器件地址取决于具体的型号和配置。通常，AT24CXX 的器件地址是由固定部分和可配置部分组成。
- 固定部分：一般为 （即 0xA0 的高四位）。
- 可配置部分：根据 A0、A1、A2 引脚的连接状态，器件地址的后面三位会有相应的变化。例如：
- 如果 A0、A1、A2 都接地（低），则器件地址为 （0xA0）。
- 如果 A0 接高，而 A1、A2 接地，则器件地址为 （0xA1）。
以此类推，改变 A0、A1 和 A2 的状态可以得到不同的地址。
最终的 I2C 地址通常在 0xA0 到 0xA7 之间，具体取决于硬件的连接方式。
我这里使用的AT24C02，大小是2K的EEPROM芯片。我就以这个芯片进行下面的驱动程序编写。
2、I2C 协议-基本时序分析及驱动编写
一般我们使用某个模块进行通信，主要就是遵循该芯片的通信协议，根据该协议的时序实现数据接发收。
AT24C02的手册上已经将I2C协议的通信时序列举出来了，下面根据这些时序实现功能。
下面是I2C总线通信时序，我们主要是分步式的实现通信的每个时序。
如下的通信时序，因为是使用GPIO模拟的，可初始化任意两个引脚（除DEBUG相关引脚）进行实现。可参考以下代码。
void I2C_Init(void)
{
GPIO_Config_T gpioConfig;
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOB); //使能GPIOB
gpioConfig.pin = I2C_PIN_SCL|I2C_PIN_SDA;
gpioConfig.mode = GPIO_MODE_OUT_PP ; //推挽输出
gpioConfig.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
GPIO_Config(GPIOB, &gpioConfig);
GPIO_SetBit(GPIOB,I2C_PIN_SCL|I2C_PIN_SDA); //PB6,PB7置高电平
}
2.1 start/stop 通信时序的实现
对于任一协议来说，时序的改变，无非就是引脚拉高或拉低嘛，我们主要操作GPIO进行引脚电平切换就行了。
状态
| 描述
| 代码
| 1
| 初始状态
| I2C_SDA_SET;
I2C_SCL_SET;
| 2
| SDA拉低
| I2C_SDA_RESET;
| 3
| SCL拉低
| I2C_SCL_RESET;
| 4
| 初始状态
| I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
| 5
| SCL拉高
| I2C_SCL_SET;
| 6
| SDA拉高
| I2C_SDA_SET;
|
实际实现的代码如下：
void I2C_Start(void)
{
SDA_OUT(); //SDA输出,由主机发送start,设置为输出模式
I2C_SDA_SET;
I2C_SCL_SET;
Delay_us(4);
I2C_SDA_RESET;
Delay_us(4);
I2C_SCL_RESET;
}
void I2C_Stop(void)
{
SDA_OUT(); //SDA输出,由主机发送stop,设置为输出模式
I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
Delay_us(4);
I2C_SCL_SET;
I2C_SDA_SET;
Delay_us(4);
}
一般对于运行速度快的单片机，时序变化时，需要加一些延时操作，我这里统一加一些延时操作。
2.2 数据发送通信时序实现
手册上有明确表明，不同的芯片其对应的发送单位不一样。AT24C02规定的就是，一次发送8位的数据。
实际的数据发送是一个时钟位对应一个bit，所以如果我们要发一个数据（8bit），需要拆分，然后一个bit一个bit的发送。
状态
| 描述
| 代码
| 1
| 初始状态
| I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
| 2
| 拉高SCL
| I2C_SCL_SET;
| 3
| 拉低SCL
| I2C_SCL_RESET;
| 4
| 准备下一次数据传输
| |
实现代码如下：
void I2C_Send_Byte(uint8_t txd)
{
uint8_t t;
SDA_OUT();
I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
// 发送8次
for (t = 0; t < 8; t++)
{
I2C_SDA_WRITE((txd & 0x80)>>7);
txd <<= 1;
Delay_us(2);
I2C_SCL_SET;
Delay_us(2);
I2C_SCL_RESET;
Delay_us(2);
}
}
当SCL线处于高电平时，这时SDA当前的电平状态就是SDA发送的数据。我们代码已经实现了这个功能，也就是在SCL拉高之前，先设置SDA引脚的电平状态，当SCL拉高之后，当前SDA的电平就是发送的数据。这里我们只发送了一位，所以还需要进行7次的操作，这样从高位到低位一位一位地发送，就实现了I2C发送一个字节的功能。
2.3 ACK 通信时序实现
状态
| 描述
| 代码
| 1
| 初始状态
| I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
| 2
| SCL拉高
| I2C_SCL_SET;
| 3
| SCL拉低
| I2C_SCL_RESET;
|
实现代码如下：
void I2C_Ack(void)
{
SDA_OUT();
I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
Delay_us(2);
I2C_SCL_SET;
Delay_us(2);
I2C_SCL_RESET;
}
2.4 数据接收通信时序实现
数据读取的操作与数据发送是一样的，跟发送的一样，我们只需要在时钟线稳定的时候，读取GPIO当前电平就行了，同样是下面这一段时序。
状态
| 描述
| 代码
| 1
| 初始状态
| I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
| 2
| 拉高SCL
| I2C_SCL_SET;
| 3
| 拉低SCL
| I2C_SCL_RESET;
| 4
| 准备下一次数据读取
| |
实现代码如下：
uint8_t I2C_Read_Byte(void)
{
unsigned char i,receive=0; // receive 默认值为0
I2C_SCL_RESET;
I2C_SDA_RESET;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
for (i = 0; i < 8; i++ )
{
I2C_SCL_SET;
receive <<= 1;
if(I2C_READ_SDA)
{
receive++;
}
Delay_us(1);
I2C_SCL_RESET;
Delay_us(1);
}
I2C_Ack(); //发送ACK
return receive;
}
这里的操作，是因为读取的SDA引脚如果是高电平（也就是“1”），这里也同步加1（默认是0），这样就确保了数据接收的一致性。
2.5 WaitAck通信时序实现
手册上只有Ack时序，并没有关于WaitAck相关的部分，我们可以设计一下，怎么实现WaitAck这部分。首先分析一下，Ack信号，其实就是在一个I2C的时钟周期内，SDA电平一直稳定为低电平，在了解这部分后，我们就可以实现这部分的代码了。
代码实现如下：
uint8_t I2C_Wait_Ack(void)
{
SDA_IN(); //SDA设置为输入
I2C_SDA_SET;
Delay_us(1);
I2C_SCL_SET;
Delay_us(1);
while(I2C_READ_SDA)
{
}
I2C_SCL_RESET; //时钟输出0
return 0;
}
这里也存在一个问题，也就是如果接收不到Ack信号，整个I2C就会一直占用总线，造成总线繁忙，所以，我们可以改一下代码，在里面加一些定时操作，如果在某段时间内，还没有接收到Ack响应，就停止此次数据传输。
uint8_t I2C_Wait_Ack(void)
{
uint8_t uTime = 0;
SDA_IN(); //SDA设置为输入
I2C_SDA_SET;
Delay_us(1);
I2C_SCL_SET;
Delay_us(1);
while(I2C_READ_SDA)
{
uTime++;
if(uTime > 250)
{
I2C_Stop();
return 1;
}
}
I2C_SCL_RESET; //时钟输出0
return 0;
}
3、AT24C02-基本时序分析及驱动编写
上面我们已经完成了I2C协议的基本时序编写，下面我们就可以编写该模块的驱动代码了。
3.1 写实现(Write)
我们首先看看写时序。
手册上也有关于这部分的说明。
这里还有一个比较重要的就是，模块内存是怎么分配的。
可以看到，AT24C02的大小是2K，对应分配是256*8，我们可以这么分析。
前面提过，AT24C02 内部组织为 8 页，每页有 32 个字节。对于 AT24C02，这里的页地址实际上是 0，因为地址范围在 0 到 255 之间。除了前面的固定值0xA0以外，我们还有3个位（A0,A1,A2）可供选择，这3个位正好表示0~7，所以我们用末3位作为地址的页数（8页，正好表示为0~7），这样数据就正好铺满整个AT24C02模块且不会出现数据覆盖或者冲突的情况。
A0
| A1
| A2
| 范围
| 0
| 0
| 0
| 第1页(0~255)
| 0
| 0
| 1
| 第2页(256~511)
| 0
| 1
| 0
| 第3页(512~767)
| 0
| 1
| 1
| 第4页(768~1023)
| 1
| 0
| 0
| 第5页(1024~1279)
| 1
| 0
| 1
| 第6页(1280~1535)
| 1
| 1
| 0
| 第7页(1536~1791)
| 1
| 1
| 1
| 第8页(1792~2047)
|
接下来，我们就可以编写代码，实现发送（写）一个字节。
void AT24C02_WriteOneByte(uint16_t WriteAddr,uint8_t DataToWrite)
{
I2C_Start();
/*AT24C02 的设备地址为 0XA0，后面的页地址和具体地址的处理是为了正确定位要写入的数据位置。*/
I2C_Send_Byte(0XA0+((WriteAddr/256)<<1)); // 发送高地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(WriteAddr%256); //发送低地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(DataToWrite); //发送字节
I2C_Wait_Ack();
I2C_Stop();//产生一个停止条件
Delay_ms(10);
}
实现单个字节的发送以后，我们可以继续做一个扩展，直接写一段数据。
void AT24C02_Write(uint16_t WriteAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToWrite)
{
while(NumToWrite--)
{
AT24C02_WriteOneByte(WriteAddr,*pBuffer);
WriteAddr++;
pBuffer++;
}
}
3.2 读实现(Read)
我们已经实现了写(Write)的代码，读也是类似的。同样我们看这个模块的读时序。
先分析一下，我们可以看到在进行读操作之前，需要先发送设备地址与要读取数据的地址，再进行读操作，下面我们编写代码。
uint8_t AT24C02_ReadOneByte(uint16_t ReadAddr)
{
uint8_t temp=0;
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(0XA0+((ReadAddr/256)<<1)); //发送器件地址0XA0,写数据
I2C_Wait_Ack();
I2C_Send_Byte(ReadAddr%256); //发送低地址
I2C_Wait_Ack();
I2C_Start();
I2C_Send_Byte(0XA1); //进入接收模式
I2C_Wait_Ack();
temp=I2C_Read_Byte();
I2C_Stop(); //产生一个停止条件
return temp;
}
void AT24C02_Read(uint16_t ReadAddr,uint8_t *pBuffer,uint16_t NumToRead)
{
while(NumToRead)
{
*pBuffer++=AT24C02_ReadOneByte(ReadAddr++);
NumToRead--;
}
}
4、总结
其实，不管是这篇文章的标准I2C通信协议，还是SPI、UART、1-WIRE协议也好，其本质都是通过一定的物理连接和协议规则，实现设备之间的数据传输和通信。
希望这篇文章能够对你们有些帮助，有问题，我们可以及时交流~
本文章依据手册：
AT24CXX.pdf
(484.85 KB)
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