一、IIC总线技术概述
1.1 IIC总线的发展历史
IIC（Inter-Integrated Circuit）总线，又称I²C总线，是由飞利浦半导体公司（现为恩智浦NXP）在1980年代开发的一种串行通信总线。最初设计目的是为电视机内的集成电路提供简单的控制接口，后来因其简洁性和高效性在各种嵌入式系统中得到广泛应用。
随着技术的发展，IIC总线标准经历了多次更新：
1982年：首次推出，标准模式速度100kbps
1992年：推出快速模式（400kbps）
1998年：推出高速模式（3.4Mbps）
2007年：推出超快速模式（5Mbps）
1.2 IIC总线的基本特性
IIC总线具有以下显著特点：
两线制结构：仅需串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）两根信号线
多主多从架构：支持多个主设备和多个从设备连接在同一总线上
地址寻址：每个从设备有唯一的7位或10位地址
半双工通信：同一时间只能进行发送或接收
速率可调：支持从标准模式到高速模式多种传输速率
硬件简单：无需复杂的接口电路，节省PCB空间和成本
1.3 IIC总线的电气特性
IIC总线采用开漏输出结构，需要外接上拉电阻（通常为4.7kΩ）。这种设计具有以下优势：
实现了"线与"逻辑，便于总线仲裁
允许不同电压等级的器件在同一总线上通信
提高了总线的抗干扰能力
工作电压范围通常为1.8V-5V，具体取决于器件规格。总线电容限制一般为400pF，超过此值需要考虑使用总线缓冲器。
二、EEPROM存储器技术
2.1 EEPROM的基本原理
EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是一种非易失性存储器，其主要特点包括：
数据掉电不丢失
可以字节为单位进行擦写
擦写寿命有限（通常10万-100万次）
读取速度较快，写入速度相对较慢
EEPROM通过浮栅晶体管存储数据，利用F-N隧穿效应实现电子注入和释放，从而改变存储单元的阈值电压来表示"0"和"1"。
2.2 EEPROM的分类
根据接口类型，EEPROM主要分为：
并行EEPROM：数据总线宽度通常为8位，速度快但引脚多
串行EEPROM：包括IIC接口、SPI接口等，节省引脚资源
根据容量大小，常见的EEPROM有：
小容量：1Kbit-64Kbit（如24C01-24C64）
中容量：128Kbit-512Kbit
大容量：1Mbit及以上
2.3 IIC接口EEPROM的特点
IIC接口EEPROM具有以下优势：
引脚精简：通常只需SCL、SDA、VCC、GND和WP（写保护）五个引脚
易于扩展：通过地址引脚可扩展多个器件
低功耗：工作电流小，适合电池供电设备
标准化接口：与各种MCU兼容性好
常见的IIC EEPROM系列包括Microchip的24系列、ST的M24系列等，容量从1Kbit到1Mbit不等。
三、IIC总线协议详解（摘自正点原子）
stm32f407探索者开发板V3 — 正点原子资料下载中心 1.0.0 文档
起始信号：
当 SCL 为高电平期间， SDA 由高到低的跳变。起始信号是一种电平跳变时序信号，而不是
一个电平信号。该信号由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态，准备数据传
输。
停止信号：
当 SCL 为高电平期间， SDA 由低到高的跳变。停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不
是一个电平信号。该信号由主机发出，在停止信号发出后，总线就处于空闲状态。
应答信号：
发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲 9 期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。
应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ ACK 简称应答位），表示接收器已经成功地接收了
该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（ NACK ），一般表示接收器接收该字节没有成
功。
观察上图标号③就可以发现，有效应答的要求是从机在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间
将 SDA 线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主机，则在它
收到最后一个字节后，发送一个 NACK 信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放 SDA
线，以便主机接收器发送一个停止信号。
数据有效性：
IIC 总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在
时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。数据在 SCL 的上
升沿到来之前就需准备好。并在下降沿到来之前必须稳定。
主机向从机读取数据的操作，一开始的操作与写操作有点相似，观察两个图也可以发现，
都是由主机发出起始信号，接着发送从机地址 +1( 读操作 ) 组成的 8bit 数据，从机接收到数据验
证是否是自身的地址。 那么在验证是自己的设备地址后，从机就会发出应答信号，并向主机返
回 8bit 数据，发送完之后从机就会等待主机的应答信号。假如主机一直返回应答信号，那么从
机可以一直发送数据，也就是图中的（ n byte + 应答信号）情况，直到主机发出非应答信号，从
机才会停止发送数据。
四、IIC读取eeprom实战讲解
4.1 软件模拟IIC
4.11 初始化IIC 的GPIO，既然是软件模拟IIC，开发板所有的引脚都能使用；
void I2C_EE_Init()
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_8;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;//开漏
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;//上拉
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&gpio_init_struct);
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_9;
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&gpio_init_struct);
IIC_Stop();
}
4.12 IIC起始结束时序
void IIC_Start(void)
{
SCL_HIGH;
SDA_HIGH;
Delay_I2c(4);
SDA_LOW;
Delay_I2c(4);
SCL_LOW;
Delay_I2c(4);//起始信号
}
void IIC_Stop(void)
{
SDA_LOW;
Delay_I2c(4);
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
SDA_HIGH;
Delay_I2c(4);//停止信号
}
4.13 IIC发送时序
void IIC_Send_Byte(uint8_t data)
{
uint8_t i;
for(i = 0 ;i < 8 ;i++)
{
if((data & 0x80) >> 7)//高位先发送
{
SDA_HIGH;
}
else
{
SDA_LOW;
}
Delay_I2c(4);
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
SCL_LOW;
data <<= 1;//下一位
}
SDA_HIGH;
}
4.14 IIC读时序
uint8_t IIC_Recevie_Byte(uint8_t ack)
{
uint8_t i,data = 0;
for(i = 0 ;i < 8 ;i++)
{
data <<= 1;//高位先输出
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
if(SDA_READ())
{
data ++;
}
SCL_LOW;
Delay_I2c(4);
}
if(!ack)
{
IIC_noack();
}
else
{
IIC_ack();
}
return data;
}
4.15 应答信号
首先先释放 SDA ，把电平拉高，延时等待从机操作 SDA 线，然后主机拉高时 钟线并延时，确保有充足的时间让主机接收到从机发出的 SDA 信号，这里使用的是 IIC_READ_SDA 宏定义去读取，根据 IIC 协议，主机读取 SDA 的值为低电平，就表示“应答信 号”；读到 SDA 的值为高电平，就表示“非应答信号”。在这个等待读取的过程中加入了超时判 断，假如超过这个时间没有接收到数据，那么主机直接发出停止信号，跳出循环，返回等于 1 的变量。在正常等待到应答信号后，主机会把 SCL 时钟线拉低并延时，返回是否接收到应答信 号。
uint8_t IIC_Wait_ack(void)
{
uint8_t waittime = 0;
uint8_t rack = 0;
SDA_HIGH;
Delay_I2c(4);
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
while(SDA_READ())
{
waittime++;
if(waittime > 250)
{
IIC_Stop();
rack = 1;
break;
}
}
SCL_LOW;
Delay_I2c(4);
return rack;
}
void IIC_noack()//非应答
{
SDA_HIGH;
Delay_I2c(4);
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
SCL_LOW;
Delay_I2c(4);
}
void IIC_ack()//应答
{
SDA_LOW;
Delay_I2c(4);
SCL_HIGH;
Delay_I2c(4);
SCL_LOW;
Delay_I2c(4);
SDA_HIGH;
Delay_I2c(4);
}
4.16 IIC读写EEPROM驱动代码
4.161 IIC写操作
void IIC_Write_Byte(uint8_t addr,uint8_t data)
{
IIC_Start();//发生起始信号
IIC_Send_Byte(0xA0);//最低位0，表示写入
IIC_Wait_ack();//每次发完等待应答
IIC_Send_Byte(addr >> 8);//高字节
IIC_Wait_ack();
IIC_Send_Byte(addr % 256);//低字节
IIC_Wait_ack();
IIC_Send_Byte(data);//发生一字节
IIC_Wait_ack();
IIC_Stop();//停止条件
HAL_Delay(10);
}
4.162 IIC读操作
uint8_t IIC_Read_Byte(uint8_t addr)
{
uint8_t data = 0;
IIC_Start();//起始信号
IIC_Send_Byte(0xA0);//写入地址
IIC_Wait_ack();
IIC_Send_Byte(addr >> 8);
IIC_Wait_ack();
IIC_Send_Byte(addr % 256);
IIC_Wait_ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(0xA1);//1代表读
IIC_Wait_ack();
data = IIC_Recevie_Byte(0);//接受一字节
IIC_Stop();
return data;
}
附.h代码：
#define SCL_LOW HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET)
#define SCL_HIGH HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET)
#define SDA_LOW HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_RESET)
#define SDA_HIGH HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_9,GPIO_PIN_SET)
#define SDA_READ() HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB ,GPIO_PIN_9)
4.2 硬件IIC(参考野火）
22. I2C—读写EEPROM — [野火]STM32 HAL库开发实战指南——基于野火F4系列开发板 文档 (embedfire.com)
硬件IIC与软件IIC不一样，必须用IIC引脚；
4.21 初始化
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
/* I2C1 init function */
void MX_I2C1_Init(void)
{
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 0 */
/* USER CODE END I2C1_Init 0 */
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 1 */
/* USER CODE END I2C1_Init 1 */
hi2c1.Instance = I2C1;//IIC1
hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000;//速率
hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;/*指定时钟占空比，可选low/high = 2:1及16:9模式*/
hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0; /*指定自身的I2C设备地址1，可以是7-bit或者10-bit*/
hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;/*指定地址的长度模式，可以是7bit模式或者10bit模式 \*/
hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;/*设置双地址模式 \*/
hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;/*指定自身的I2C设备地址2，只能是 7-bit \*/
hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;/*指定广播呼叫模式 \*/
hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;/*指定禁止时钟延长模式*/
HAL_I2C_Init(&hi2c1);
/* USER CODE BEGIN I2C1_Init 2 */
/* USER CODE END I2C1_Init 2 */
}
void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
/* USER CODE BEGIN I2C1_MspInit 0 */
/* USER CODE END I2C1_MspInit 0 */
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
/**I2C1 GPIO Configuration
PB6 ------> I2C1_SCL
PB7 ------> I2C1_SDA
*/
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD;//复用开漏
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;//上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_I2C1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
/* I2C1 clock enable */
__HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();
/* USER CODE BEGIN I2C1_MspInit 1 */
/* USER CODE END I2C1_MspInit 1 */
}
4.22 向EEPROM写入一个字节的数据
uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr)//数据，地址
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
status = HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, (uint16_t)
WriteAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pBuffer, 1, 100);//IIC1,写操作，地址，字节大小，数据，数据大小，超时时间
/* Check the communication status */
if (status != HAL_OK) {
/* Execute user timeout callback */
//I2Cx_Error(Addr);
}
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
/* Check if the EEPROM is ready for a new operation */
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, 0xA0,
300, 300) == HAL_TIMEOUT);//等待IIC已经就绪
/* Wait for the end of the transfer */
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
return status;
}
4.23 EEPROM的页写入
// 向 I2C EEPROM 进行页写入操作
// pBuffer: 指向要写入的数据缓冲区的指针
// WriteAddr: 要写入的起始地址
// NumByteToWrite: 要写入的字节数
// 返回值: HAL 状态类型，用于表示操作的状态
uint32_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
uint8_t NumByteToWrite)
{
// 初始化状态为 HAL_OK，表示操作成功
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
// 调用 HAL_I2C_Mem_Write 函数向 EEPROM 写入数据
// &hi2c1 是 I2C 句柄，0XA0 是 EEPROM 的设备地址
// WriteAddr 是要写入的起始地址，I2C_MEMADD_SIZE_8BIT 表示地址大小为 8 位
// (uint8_t*)(pBuffer) 是要写入的数据缓冲区，NumByteToWrite 是要写入的字节数
// 100 是超时时间
status=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0XA0,WriteAddr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t*)(pBuffer),NumByteToWrite, 100);
// 等待 I2C 总线准备好进行下一次操作
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
// 检查 EEPROM 是否准备好进行新的操作
// HAL_I2C_IsDeviceReady 函数用于检查设备是否准备好
// 0xA0 是 EEPROM 的设备地址，300 是重试次数，300 是每次重试的超时时间
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, 0xA0,
300, 300) == HAL_TIMEOUT);
// 等待传输结束，确保 I2C 总线处于就绪状态
while (HAL_I2C_GetState(&hi2c1) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
// 返回操作的状态
return status;
}
4.24 多字节写入
// 向 I2C EEPROM 进行缓冲区写入操作
// pBuffer: 指向要写入的数据缓冲区的指针
// WriteAddr: 要写入的起始地址
// NumByteToWrite: 要写入的字节数
void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
uint16_t NumByteToWrite)
{
// 定义变量用于存储页数、剩余字节数、地址偏移量和计数器
uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0;
// 计算起始地址相对于页大小的偏移量
Addr = WriteAddr % EEPROM_PAGESIZE;
// 计算当前页剩余可写入的字节数
count = EEPROM_PAGESIZE - Addr;
// 计算要写入的总页数
NumOfPage = NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
// 计算写入所有页后剩余的字节数
NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;
// 如果起始地址是页大小对齐的
if (Addr == 0) {
// 如果要写入的字节数小于页大小
if (NumOfPage == 0) {
// 直接调用页写入函数写入剩余的字节数
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
// 如果要写入的字节数大于页大小
else {
// 循环写入所有页
while (NumOfPage--) {
// 调用页写入函数写入一页数据
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
// 更新写入地址
WriteAddr += EEPROM_PAGESIZE;
// 更新数据缓冲区指针
pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
}
// 如果还有剩余的字节数
if (NumOfSingle!=0) {
// 调用页写入函数写入剩余的字节数
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
}
}
// 如果起始地址不是页大小对齐的
else {
// 如果要写入的字节数小于页大小
if (NumOfPage== 0) {
// 直接调用页写入函数写入剩余的字节数
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
// 如果要写入的字节数大于页大小
else {
// 减去当前页可写入的字节数
NumByteToWrite -= count;
// 重新计算要写入的总页数
NumOfPage = NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
// 重新计算写入所有页后剩余的字节数
NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;
// 如果当前页还有可写入的字节数
if (count != 0) {
// 调用页写入函数写入当前页剩余的字节数
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
// 更新写入地址
WriteAddr += count;
// 更新数据缓冲区指针
pBuffer += count;
}
// 循环写入所有页
while (NumOfPage--) {
// 调用页写入函数写入一页数据
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
// 更新写入地址
WriteAddr += EEPROM_PAGESIZE;
// 更新数据缓冲区指针
pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
}
// 如果还有剩余的字节数
if (NumOfSingle != 0) {
// 调用页写入函数写入剩余的字节数
I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
}
}
}
}
附.h代码：
/* USER CODE BEGIN Includes */
#define EEPROM_PAGESIZE 8
/* USER CODE END Includes */
extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;
/* USER CODE BEGIN Private defines */
void I2C_EE_Init(void);
uint8_t I2C_Test(void);
uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr);
uint32_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
uint8_t NumByteToWrite);
void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
uint16_t NumByteToWrite);
uint32_t I2C_EE_BufferRead(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr, uint16_t NumByteToRead);
五. 总结（IIC软件模拟与硬件IIC区别）
硬件电路
硬件 IIC：需要使用芯片内部专门的 IIC 硬件模块，该模块具有独立的时钟发生器、数据寄存器等硬件电路，通过特定的引脚（SCL 时钟线和 SDA 数据线）与外部设备连接。
软件模拟 IIC：利用单片机的普通 I/O 引脚来模拟 IIC 的通信时序，不需要特定的硬件模块，只需要将普通 I/O 引脚配置为输出模式来发送数据和时钟信号，或配置为输入模式来接收数据。
通信速度
硬件 IIC：通信速度通常较快，因为硬件模块是专门为 IIC 通信设计的，能够高效地处理数据的发送和接收，并且可以支持较高的时钟频率。
软件模拟 IIC：速度相对较慢，由于是通过软件程序来模拟通信时序，程序需要执行一系列的指令来控制 I/O 引脚的电平变化，这会花费一定的时间，限制了通信的速度。
代码复杂度
硬件 IIC：使用硬件 IIC 时，芯片厂商通常会提供相应的驱动库或寄存器操作手册，开发者只需要按照规定的方式配置寄存器，即可实现 IIC 通信。代码相对简洁，且不需要过多关注底层的通信时序细节。
软件模拟 IIC：需要开发者自己编写代码来模拟 IIC 的起始信号、停止信号、数据传输、应答信号等各种时序，代码量较大，且需要对 IIC 协议有深入的理解，以确保时序的正确性。
灵活性
硬件 IIC：硬件 IIC 的引脚通常是固定的，一旦确定了使用的硬件 IIC 模块，其对应的引脚就不能再用于其他功能，灵活性较差。如果硬件设计已经确定，后期很难更改 IIC 引脚的分配。
软件模拟 IIC：可以根据实际需求灵活选择任意的普通 I/O 引脚来模拟 IIC 通信，在硬件设计上更加灵活。如果需要更改引脚分配，只需要修改软件代码中的引脚定义即可，而不需要对硬件进行重新设计。
稳定性
硬件 IIC：由于是硬件电路实现，其稳定性较高，能够准确地按照 IIC 协议的规范进行通信，不容易受到软件干扰或其他因素的影响。在复杂的系统中，硬件 IIC 能够可靠地与多个 IIC 设备进行通信。
软件模拟 IIC：稳定性相对较差，容易受到程序中其他代码的影响，例如在模拟 IIC 时序的过程中，如果程序被其他中断打断，可能会导致时序出现错误，从而影响通信的稳定性。
在实际应用中，对于通信速度要求较高、对稳定性要求严格且 IIC 设备数量较多的情况，通常优先选择硬件 IIC；而对于资源有限、对灵活性要求较高或通信速度要求不高的场合，可以考虑使用软件模拟 IIC。
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