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第12章 I2C总线与EEPROM

前边学习了一种通信协议叫做UART异步串行通信，本章要学习第二种常用的通信协议I2C（重要且常用）。I2C总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，多用于连接微处理器及其外围芯片。I2C总线的主要特点是接口方式简单，两条线可以挂多个参与通信的器件，即多机模式，而且任何一个器件都可以作为主机，当然同一时刻只能有一个主机。

从原理上来讲，UART属于异步通信，比如电脑发送给单片机，电脑只负责把数据通过TXD发送出来即可，接收数据是单片机自己的事情。而I2C属于同步通信，SCL时钟线负责收发双方的时钟节拍，SDA数据线负责传输数据。I2C的发送方和接收方都以SCL这个时钟节拍为基准进行数据的发送和接收。

从应用上来讲，UART通信多用于板间通信，比如单片机和电脑，这个设备和另外一个设备之间的通信。而I2C多用于板内通信，比如单片机和本章要学的EEPROM之间的通信。

12.1I2C时序初步认识​

在硬件上，I2C总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成，连接到总线上的所有器件的SCL都连到一起，所有SDA都连到一起。I2C总线是开漏引脚并联的结构，因此外部要添加上拉电阻。开漏电路外部加上拉电阻，就组成了线“与”的关系。总线上线“与”的关系就是说，所有接入的器件保持高电平，这条线才是高电平，而任何一个器件输出一个低电平，那这条线就会保持低电平，因此可以做到任何一个器件都可以拉低电平，也就是任何一个器件都可以作为主机，如图12-1所示，添加了R63和R64两个上拉电阻。

图12-1 I2C总线的上拉电阻

虽然说任何一个设备都可以作为主机，但绝大多数情况下都是用单片机来做主机，而总线上挂的多个器件，每一个都像电话机一样有自己唯一的地址，在信息传输的过程中，通过这唯一的地址就可以正常识别到属于自己的信息。

学习UART串行通信的时候，知道了通信流程分为起始位、数据位、停止位这三部分，同理在I2C中也有起始信号、数据传输和停止信号，如图12-2所示。

图12-2 I2C时序流程图

从图上可以看出来，I2C和UART时序流程有相似性，也有一定的区别。UART每个字节，都有一位起始位、8位数据位、1位停止位。而I2C分为起始信号、数据传输部分、停止信号。其中数据传输部分，可以一次传输很多个字节，字节数是不受限制的，而每个字节的数据最后额外跟了一位，这一位叫做应答位，通常用ACK表示，类似于UART的停止位。

下面通过和UART通信做比较的方式把I2C通信时序进行剖析。首先要理解，UART通信虽然用了TXD和RXD两根线，但是实际一次通信中，1条线就可以完成，2条线是把发送和接收分开而已。而I2C每次通信，不管是发送还是接收，必须2条线都参与工作才能完成，为了更方便的看出来每一位的传输流程，把图12-2改进成图12-3。

图12-3 I2C通信流程解析

（1）起始信号：UART通信是从一直持续的高电平出现一个低电平标志起始位；而I2C通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平向低电平变化产生一个下降沿，表示起始信号，如图12-3中的Start部分所示。

（2）数据传输：首先，UART是低位在前，高位在后；而I2C通信是高位在前，低位在后。其次，UART通信数据位是固定长度，波特率分之一，一位一位固定时间发送完毕就可以了。而I2C没有固定波特率，但是有时序的要求，要求当SCL在低电平的时候，SDA允许变化，也就是说，发送方必须先保持SCL是低电平，才可以改变数据线SDA，输出要发送的当前数据的一位；而当SCL在高电平的时候，SDA绝对不可以变化，因为这个时候，接收方要来读取当前SDA的电平信号是0还是1，要保证SDA的稳定，如图12-3中的每一位数据的变化，都是在SCL的低电平位置。8位数据位后边跟着的是一位应答位，应答位后边还要具体介绍。

（3）停止信号：UART通信的停止位是一位固定的高电平信号；而I2C通信停止信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由低电平向高电平变化产生一个上升沿，表示结束信号，如图12-3中的Stop部分所示。

12.2I2C寻址模式​

上一节介绍的是I2C每一位信号的时序流程，而I2C通信在字节级的传输中，也有固定的时序要求。I2C通信的起始信号(Start)后，首先要发送一个从机的地址，这个地址一共有7位，紧跟着的第8位是数据方向位(R/W)，“0”表示接下来要发送数据（写），‘“1”表示接下来是请求数据（读）。

打电话的时候，当拨通电话，接听方捡起电话肯定要回一个“喂”，这就是告诉拨电话的人，这边有人了。同理，这个第九位ACK实际上起到的就是这样一个作用。当发送完了这7位地址和1位方向后，如果发送的这个地址确实存在，那么这个地址的器件应该回应一个ACK（拉低SDA即输出“0”），如果不存在，就没“人”回应NACK（SDA将保持高电平即“1”）。

写一个简单的程序，访问一下Kingst51开发板上的EEPROM的地址，另外再写一个不存在的地址，看看它们是否能回一个ACK，来了解和确认一下这个问题。

Kingst51开发板上的EEPROM器件型号是24C02，在24C02的数据手册3.6节中可查到，24C02的7位地址中，其中高4位是0b1010，低3位的地址取决于具体电路的设计,由芯片的A2、A1、A0这3个引脚的实际电平决定，来看一下电路图，如图12-4所示。

图12-4 24C02原理图

从图12-4可以看出，A2、A1、A0都是接的GND，也就是说都是0，因此24C02的7位地址实际上是二进制的0b1010000，也就是0x50。用I2C的协议来寻址0x50，另外再寻址一个不存在的地址0x62，寻址完毕后，通过逻辑分析仪观察一下两个地址是否回复ACK。

/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define I2CDelay()  {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
sbit I2C_SCL = P3^7;
sbit I2C_SDA = P3^6;

bit I2CAddressing(unsigned char addr);

void main()
{
    I2CAddressing(0x50); //查询地址为0x50的器件
    I2CAddressing(0x62); //查询地址为0x62的器件

    while (1);
}
/* 产生总线起始信号 */
void I2CStart()
{
    I2C_SDA = 1; //首先确保SDA、SCL都是高电平
    I2C_SCL = 1;
    I2CDelay();
    I2C_SDA = 0; //先拉低SDA
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0; //再拉低SCL
}
/* 产生总线停止信号 */
void I2CStop()
{
    I2C_SCL = 0; //首先确保SDA、SCL都是低电平
    I2C_SDA = 0;
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1; //先拉高SCL
    I2CDelay();
    I2C_SDA = 1; //再拉高SDA
    I2CDelay();
}
/* I2C总线写操作，dat-待写入字节，返回值-从机应答位的值 */
bit I2CWrite(unsigned char dat)
{
    bit ack;  //用于暂存应答位的值
    unsigned char mask;  //用于探测字节内某一位值的掩码变量

    for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
    {
        if ((mask&dat) == 0)  //该位的值输出到SDA上
            I2C_SDA = 0;
        else
            I2C_SDA = 1;
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 1;          //拉高SCL
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 0;          //再拉低SCL，完成一个位周期
    }
    I2C_SDA = 1;   //8位数据发送完后，主机释放SDA，以检测从机应答
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    ack = I2C_SDA; //读取此时的SDA值，即为从机的应答值
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线

    return ack;    //返回从机应答值
}
/* I2C寻址函数，即检查地址为addr的器件是否存在，返回值-从器件应答值 */
bit I2CAddressing(unsigned char addr)
{
    bit ack;

    I2CStart();  //产生起始位，即启动一次总线操作
    ack = I2CWrite(addr<<1);  //器件地址需左移一位，因寻址命令的最低位
                              //为读写位，用于表示之后的操作是读或写
    I2CStop();   //不需进行后续读写，而直接停止本次总线操作
    
    return ack;
}

前面的章节中已经提到利用库函数_nop_()可以进行精确延时，一个_nop_()的时间就是一个机器周期，这个库函数包含在intrins.h这个文件中，如果要使用这个库函数，只需要在程序最开始，和包含reg52.h一样，include<intrins.h>之后，程序中就可以使用这个库函数了。

还有一点要提一下，I2C通信分为低速模式100kbit/s、快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。因为所有的I2C器件都支持低速，但却未必支持另外两种速度，所以作为通用的I2C程序选择100k这个速率，也就是说实际程序产生的时序必须小于等于100k的时序参数，很明显也就是要求SCL的高低电平持续时间都不短于5us，因此在时序函数中通过插入I2CDelay()这个总线延时函数（它实际上就是4个NOP指令，用define在文件开头做了定义），加上改变SCL值语句本身占用的至少一个周期，来达到这个速度限制。如果以后需要提高速度，那么只需要减小这里的总线延时时间即可。

此外学习一个发送数据的技巧，就是I2C通信时如何将一个字节的数据发送出去。注意函数I2CWrite中，用的for循环的技巧。for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1)，由于I2C通信是从高位开始发送数据，所以先从最高位开始，0x80和dat进行按位与运算，从而得知dat第7位是0还是1，然后右移一位，也就是变成了用0x40和dat按位与运算，得到第6位是0还是1，一直到第0位结束，最终通过if语句，把dat的8位数据依次发送了出去。

使用Kingst LA5016逻辑分析仪将抓到的波形显示出来，并且用过I2C的协议解码器将协议解析出来，如图12-5所示。从图上可以看出，第一个字节发的是0x50，回复了一个ACK；第二个字节发了一个0x62，但是出现的是NAK，说明这个地址没有产生应答。

图12-5 逻辑分析仪抓取I2C地址

在逻辑分析仪的I2C协议设置中，有三种地址格式显示方式，也就是目前市面上各种资料对I2C协议地址定义的方式。如图12-6所示。

图12-6 I2C地址显示格式

前边讲I2C发送的第一个字节是7位地址加一位读写位，但是有些资料直接将读写位归结到I2C的地址，也有的资料将7位地址位认为是高7位，以开发板的0x50地址和0x62地址为例，即地址二进制0b1010 000，写的时候是0b1010 0000；读的时候是0b1010 0001。
方式1：8-bit，包含读/写位，0x50地址对应这种方式写地址为0xA0;读地址为0xA1。
方式2：8-bit，读/写位显示为0，即写地址和读地址都是0xA0。
方式3：7-bit，本教材采用的方式，写地址和读地址都是0x50。

12.3EEPROM的学习​

在实际应用中，保存在单片机RAM中的数据，掉电后就丢失了，使用code关键字保存在单片机的FLASH中的数据，又不能随意改变，也就是不能用它来记录变化的数值。但是在某些场合，又确实需要记录下某些数据，而它们还时常需要改变或更新，掉电之后数据还不能丢失，比如家用电表度数，电视机里边的频道记忆，一般都是使用EEPROM来保存数据，特点就是掉电后不丢失。Kingst51开发板上使用的这个器件是24C02，是一个容量大小是2Kbits，也就是256个字节的EEPROM。一般情况下，EEPROM拥有30万到100万次的寿命，也就是它可以反复写入30-100万次，而读取次数是无限的。

24C02是一个基于I2C通信协议的器件，但要分清楚，I2C是一个通信协议，它拥有严密的通信时序逻辑要求，而EEPROM是一个器件，只是这个器件采用了I2C协议的接口与单片机相连而已，二者并没有必然的联系，EEPROM可以用其它接口，I2C也可以用在其它很多器件上。

12.3.1EEPROM单字节读写操作时序​

  1. EEPROM写数据流程

    （1）首先是I2C的起始信号，接着跟上首字节，也就是I2C的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。
    （2）发送数据的存储地址。24C02一共256个字节的存储空间，地址从0x00～0xFF，想把数据存储在哪个位置，此刻写的就是哪个地址。
    （3）发送要存储的数据第一个字节、第二个字节……注意在写数据的过程中，EEPROM每个字节都会回应一个“应答位0”，来通知用户写EEPROM数据成功，如果没有回应答位，说明写入不成功。
    在写数据的过程中，每成功写入一个字节，EEPROM存储空间的地址就会自动加1，当加到0xFF后，再写一个字节，地址会溢出又变成了0x00。

  2. EEPROM读数据流程

    （1）首先是I2C的起始信号，接着跟上首字节，也就是I2C的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。明明是读数据为何方向也要选“写”呢？24C02一共有256个地址，选择写操作，是为了把所要读的数据的存储地址先写进去，告诉EEPROM要读取哪个地址的数据。这就如同打电话，先拨总机号码（EEPROM器件地址），而后还要继续拨分机号码（数据地址），而拨分机号码这个动作，主机仍然是发送方，方向依然是“写”。
    （2）发送要读取的数据的地址，注意是地址而非存在EEPROM中的数据，通知EEPROM要哪个分机的信息。
    （3）重新发送I2C起始信号和器件地址，并且在方向位选择“读”操作。
    这3步当中，每一个字节实际上都是在“写”，所以每一个字节EEPROM都会回应一个“应答位0”。 （4）读取从器件发回的数据，读一个字节后，如果还想继续读下一个字节，就发送一个“应答位ACK(0)”，如果不想读了，通知EEPROM不想要数据了，那就发送一个“非应答位NAK(1)”。 和写操作规则一样，每读一个字节地址会自动加1。如果想继续往下读，给EEPROM一个ACK(0)低电平后，再继续给SCL完整的时序，EEPROM会继续往外送数据。如果不想读了，直接给一个NAK(1)高电平。
    梳理一下几个要点：
    1、在本例中单片机是主机，24C02是从机；
    2、无论是读是写，SCL始终都是由主机控制的；
    3、写的时候应答信号由从机给出，表示从机是否正确接收了数据；
    4、读的时候应答信号则由主机给出，表示是否继续读下去。
    下面写一个程序，读取EEPROM的0x02这个地址上的一个数据，不管这个数据之前是多少都将读出来的数据加1，再写到EEPROM的0x02这个地址上。此外将I2C的程序建立一个文件，写一个I2C.c程序文件，形成又一个程序模块。

/******************************I2C.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define I2CDelay()  {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}
sbit I2C_SCL = P3^7;
sbit I2C_SDA = P3^6;

/* 产生总线起始信号 */
void I2CStart()
{
    I2C_SDA = 1; //首先确保SDA、SCL都是高电平
    I2C_SCL = 1;
    I2CDelay();
    I2C_SDA = 0; //先拉低SDA
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0; //再拉低SCL
}
/* 产生总线停止信号 */
void I2CStop()
{
    I2C_SCL = 0; //首先确保SDA、SCL都是低电平
    I2C_SDA = 0;
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1; //先拉高SCL
    I2CDelay();
    I2C_SDA = 1; //再拉高SDA
    I2CDelay();
}
/* I2C总线写操作，dat-待写入字节，返回值-从机应答位的值 */
bit I2CWrite(unsigned char dat)
{
    bit ack;  //用于暂存应答位的值
    unsigned char mask;  //用于探测字节内某一位值的掩码变量

    for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
    {
        if ((mask&dat) == 0)  //该位的值输出到SDA上
            I2C_SDA = 0;
        else
            I2C_SDA = 1;
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 1;          //拉高SCL
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 0;          //再拉低SCL，完成一个位周期
    }
    I2C_SDA = 1;   //8位数据发送完后，主机释放SDA，以检测从机应答
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    ack = I2C_SDA; //读取此时的SDA值，即为从机的应答值
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线

    return (~ack); //应答值取反以符合通常的逻辑：
                   //0=不存在或忙或写入失败，1=存在且空闲或写入成功
}
/* I2C总线读操作，并发送非应答信号，返回值-读到的字节 */
unsigned char I2CReadNAK()
{
    unsigned char mask;
    unsigned char dat;

    I2C_SDA = 1;  //首先确保主机释放SDA
    for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
    {
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 1;      //拉高SCL
        if(I2C_SDA == 0)  //读取SDA的值
            dat &= ~mask; //为0时，dat中对应位清零
        else
            dat |= mask;  //为1时，dat中对应位置1
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 0;      //再拉低SCL，以使从机发送出下一位
    }
    I2C_SDA = 1;   //8位数据发送完后，拉高SDA，发送非应答信号
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成非应答位，并保持住总线

    return dat;
}
/* I2C总线读操作，并发送应答信号，返回值-读到的字节 */
unsigned char I2CReadACK()
{
    unsigned char mask;
    unsigned char dat;

    I2C_SDA = 1;  //首先确保主机释放SDA
    for (mask=0x80; mask!=0; mask>>=1) //从高位到低位依次进行
    {
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 1;      //拉高SCL
        if(I2C_SDA == 0)  //读取SDA的值
            dat &= ~mask; //为0时，dat中对应位清零
        else
            dat |= mask;  //为1时，dat中对应位置1
        I2CDelay();
        I2C_SCL = 0;      //再拉低SCL，以使从机发送出下一位
    }
    I2C_SDA = 0;   //8位数据发送完后，拉低SDA，发送应答信号
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 1;   //拉高SCL
    I2CDelay();
    I2C_SCL = 0;   //再拉低SCL完成应答位，并保持住总线

    return dat;
}
/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>

extern void I2CStart();
extern void I2CStop();
extern unsigned char I2CReadNAK();
extern bit I2CWrite(unsigned char dat);
unsigned char E2ReadByte(unsigned char addr);
void E2WriteByte(unsigned char addr, unsigned char dat);

void main()
{
    unsigned char dat;

    dat = E2ReadByte(0x02);    //读取指定地址上的一个字节
    dat++;                     //将其数值+1
    E2WriteByte(0x02, dat);    //再写回到对应的地址上
    
    while (1);
}

/* 读取EEPROM中的一个字节，addr-字节地址 */
unsigned char E2ReadByte(unsigned char addr)
{
    unsigned char dat;
    
    I2CStart();
    I2CWrite(0x50<<1); //寻址器件，后续为写操作
    I2CWrite(addr);    //写入存储地址
    I2CStart();        //发送重复启动信号
    I2CWrite((0x50<<1)|0x01); //寻址器件，后续为读操作
    dat = I2CReadNAK();       //读取一个字节数据
    I2CStop();
    
    return dat;
}
/* 向EEPROM中写入一个字节，addr-字节地址 */
void E2WriteByte(unsigned char addr, unsigned char dat)
{
    I2CStart();
    I2CWrite(0x50<<1); //寻址器件，后续为写操作
    I2CWrite(addr);    //写入存储地址
    I2CWrite(dat);     //写入一个字节数据
    I2CStop();
}

I2C.c文件提供了I2C总线底层函数，包括起始、停止、字节写、字节读+应答、字节读+非应答。将这个程序复编译会发现Keil软件提示一个警告：*** WARNING L16: UNCALLED SEGMENT, IGNORED FOR OVERLAY PROCESS，这个警告的意思是在代码中存在没有被调用过的变量或者函数，I2C.c文件中的I2CReadACK()这个函数在本例中没有用到。

读取EEPROM的时候，由于只读了一个字节就要告诉EEPROM不需要再读数据了，读完后直接发送一个“NAK”，因此只调用了I2CReadNAK()这个函数，而并没有调用I2CReadACK()这个函数。今后很可能读数据的时候要连续读几个字节，因此这个函数写在了I2C.c文件中，作为I2C功能模块的一部分是必要的，方便这个文件以后移植到其他程序中使用，因此这个警告在这里就不必管它了。

将这个程序中，I2C的读写EEPROM操作用逻辑分析仪抓出来，并且用I2C-EEPROM协议解析出来，如图12-7所示。

图12-7 I2C-EEPROM解析结果图

从图12-7能看出，第一个字节是器件地址0x50+ACK，第二个字节是数据地址0x02+ACK，第三个字节是器件地址0x50+ACK，第四个是读取到了0x04+NAK数据，第五个字节是器件地址0x50+ACK，第6个字节是数据地址0x02+ACK，第七个字节是写入数据0x05+ACK。

12.3.2EEPROM多字节读写操作时序​

读取EEPROM的时候很简单，EEPROM根据主机的时序，直接就把数据送出来了，但是写EEPROM却没有这么简单了。给EEPROM发送数据后，先保存在了EEPROM的缓存，EEPROM必须要把缓存中的数据搬移到“非易失”的区域，才能达到掉电不丢失的效果。而往非易失区域写需要一定的时间，每种器件不完全一样，ATMEL公司的24C02的这个写入时间最高不超过5ms。在往非易失区域写的过程，EEPROM是不会再响应访问的，不仅接收不到数据，即使用I2C标准的寻址模式去寻址，EEPROM都不会应答，就如同这个总线上没有这个器件一样。数据写入非易失区域完毕后，EEPROM再次恢复正常。

12.2节程序中写数据的代码，程序上有读取应答ACK，但是读取完毕后没有做任何处理。这是因为一次只写一个字节的数据进去，等到下次重新再写的时候，时间肯定远远超过了5ms，但是如果是连续写入几个字节的时候，就必须得考虑到应答位的问题了。写入一个字节后，再写入下一个字节之前，必须要等待EEPROM再次响应才可以。

先从EEPROM的0x90这个地址连续读出5个字节，然后把这5个数据分别加1，加2，加3， 加4，加5后重新写入到这五个地址中去。I2C.c文件和之前是完全一样的，因此只把main.c文件给发出来。

/*****************************I2C.c文件程序源代码*******************************/
（此处省略，可参考之前章节的代码）
/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>

extern void I2CStart();
extern void I2CStop();
extern unsigned char I2CReadACK();
extern unsigned char I2CReadNAK();
extern bit I2CWrite(unsigned char dat);
void E2Read(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);
void E2Write(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);

void main()
{
    unsigned char i;
    unsigned char buf[5];

    E2Read(buf, 0x90, sizeof(buf));   //从E2中读取一段数据
    for (i=0; i<sizeof(buf); i++)     //数据依次+1,+2,+3...
    {
        buf[i] = buf[i] + 1 + i;
    }
    E2Write(buf, 0x90, sizeof(buf));  //再写回到E2中
    
    while(1);
}

/* E2读取函数，buf-数据接收指针，addr-E2中的起始地址，len-读取长度 */
void E2Read(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len)
{
    do {                       //用寻址操作查询当前是否可进行读写操作
        I2CStart();
        if (I2CWrite(0x50<<1)) //应答则跳出循环，非应答则进行下一次查询
        {
            break;
        }
        I2CStop();
    } while(1);
    I2CWrite(addr);            //写入起始地址
    I2CStart();                //发送重复启动信号
    I2CWrite((0x50<<1)|0x01);  //寻址器件，后续为读操作
    while (len > 1)            //连续读取len-1个字节
    {
        *buf++ = I2CReadACK(); //最后字节之前为读取操作+应答
        len--;
    }
    *buf = I2CReadNAK();       //最后一个字节为读取操作+非应答
    I2CStop();
}
/* E2写入函数，buf-源数据指针，addr-E2中的起始地址，len-写入长度 */
void E2Write(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len)
{
    while (len--)
    {
        do {                       //用寻址操作查询当前是否可进行读写操作
            I2CStart();
            if (I2CWrite(0x50<<1)) //应答则跳出循环，非应答则进行下一次查询
            {
                break;
            }
            I2CStop();
        } while(1);
        I2CWrite(addr++);  //写入起始地址
        I2CWrite(*buf++);  //写入一个字节数据
        I2CStop();         //结束写操作，以等待写入完成
    }
}

函数E2Read：读数据前，要查询当前是否允许读写操作，EEPROM正常响应才表示允许。读最后一个字节之前的，全部给ACK，而读完最后一个字节，要给出一个NAK。
函数E2Write：写操作前，要查询当前EEPROM是否响应，正常响应后才可以写数据。
将I2C多字节读写EEPROM的时序部分用逻辑分析仪抓取，由于此次的读写数据量特别大，因此用逻辑分析仪抓取后，直接将解析后的数据导出到excel表格中，如图12-8所示。

图12-8 连续读写解析后数据示意图

从图12-8表格看出，第一行为读到的4个字节的数据，下面只有红框内为写入EEPROM的数据，而红框外的为检测0x50是否响应。由于EEPROM正在将前次写入的数据搬移到非易失区，因此一直检测一直等待到EEPROM响应才能再次往里边写数据。

12.3.3EEPROM的页写入​

在向EEPROM连续写入多个字节的数据时，如果每写一个字节都要等待几ms的话，整体上的写入效率就太低了。因此EEPROM的厂商就想了一个办法，把EEPROM分页管理。24C01、24C02这两个型号是8个字节一个页，而24C04、24C08、24C16是16个字节一页。Kingst51开发板上用的型号是24C02，一共是256个字节，8个字节一页，一共有32页。

分配好页之后，同一个页内连续写入几个字节后再发送停止位，EEPROM检测到停止位后，就会一次性把这一页的数据写到非易失区域，不需要写一个字节检测一次了，并且页写入的时间也不会超过5ms。如果写入的数据跨页了，写完了一页之后，要发送一个停止位，然后等待并且检测EEPROM的空闲模式，一直等到把上一页数据完全写到非易失区域后，再进行下一页的写入，这样就可以在很大程度上提高数据的写入效率，程序如下。

/*****************************I2C.c文件程序源代码*******************************/
（此处省略，可参考之前章节的代码）
/****************************eeprom.c文件程序源代码*****************************/
#include <reg52.h>

extern void I2CStart();
extern void I2CStop();
extern unsigned char I2CReadACK();
extern unsigned char I2CReadNAK();
extern bit I2CWrite(unsigned char dat);

/* E2读取函数，buf-数据接收指针，addr-E2中的起始地址，len-读取长度 */
void E2Read(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len)
{
    do {                       //用寻址操作查询当前是否可进行读写操作
        I2CStart();
        if (I2CWrite(0x50<<1)) //应答则跳出循环，非应答则进行下一次查询
        {
            break;
        }
        I2CStop();
    } while(1);
    I2CWrite(addr);            //写入起始地址
    I2CStart();                //发送重复启动信号
    I2CWrite((0x50<<1)|0x01);  //寻址器件，后续为读操作
    while (len > 1)            //连续读取len-1个字节
    {
        *buf++ = I2CReadACK(); //最后字节之前为读取操作+应答
        len--;
    }
    *buf = I2CReadNAK();       //最后一个字节为读取操作+非应答
    I2CStop();
}
/* E2写入函数，buf-源数据指针，addr-E2中的起始地址，len-写入长度 */
void E2Write(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len)
{
    while (len > 0)
    {
        //等待上次写入操作完成
        do {                       //用寻址操作查询当前是否可进行读写操作
            I2CStart();
            if (I2CWrite(0x50<<1)) //应答则跳出循环，非应答则进行下一次查询
            {
                break;
            }
            I2CStop();
        } while(1);
        //按页写模式连续写入字节
        I2CWrite(addr);           //写入起始地址
        while (len > 0)
        {
            I2CWrite(*buf++);     //写入一个字节数据
            len--;                //待写入长度计数递减
            addr++;               //E2地址递增
            if ((addr&0x07) == 0) //检查地址是否到达页边界，24C02每页8字节，
            {                     //所以检测低3位是否为零即可
                break;            //到达页边界时，跳出循环，结束本次写操作
            }
        }
        I2CStop();
    }
}

遵循模块化的原则，把EEPROM的读写函数单独写成一个eeprom.c文件。其中E2Read函数和上一节是一样的，因为读操作与分页无关。重点是E2Write函数，在写入数据的时候，要计算下一个要写的数据的地址是否是一个页的起始地址，如果是的话，则必须跳出循环，等待EEPROM把当前这一页写入到非易失区域后，再进行后续页的写入。

/*****************************main.c文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>

extern void E2Read(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);
extern void E2Write(unsigned char *buf, unsigned char addr, unsigned char len);

void main()
{
    unsigned char i;
    unsigned char buf[5];

    E2Read(buf, 0x8E, sizeof(buf));   //从E2中读取一段数据
    for (i=0; i<sizeof(buf); i++)     //数据依次+1,+2,+3...
    {
        buf[i] = buf[i] + 1 + i;
    }
    E2Write(buf, 0x8E, sizeof(buf));  //再写回到E2中
    
    while(1);
}

同样数量的多字节写入时间和页写入的时间到底差别多大呢？现在把两次写入时间用逻辑分析仪给抓了出来，并且用时间标签A1和A2标注了开始位置和结束位置，如图12-9和图12-10所示，右侧显示的|A1-A2|就是最终写入5个字节所耗费的时间。多字节一个一个写入，每次写入后都需要再次通信检测EEPROM是否在“忙”，因此耗费了大量的时间，同样的写入5个字节的数据，一个一个写入用了8.4ms左右的时间，而使用页写入，并且还跨页操作，只用了3.5ms左右的时间。

图12-9 多字节写入时间

图12-10 跨页写入时间

12.4练习题​

  1. 彻底理解I2C的通信时序。
  2. 能够独立完成EEPROM任意地址的单字节读写、多字节的跨页连续写入读出。
  3. 将前边学的交通灯进行改进，使用EEPROM保存红灯和绿灯倒计时的时间，并且可以通过UART改变红灯和绿灯倒计时时间。