22. I2C—读写EEPROM¶

本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》及《I2C总线协议》。

若对I2C通讯协议不了解，可先阅读《I2C总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS，可阅读《smbus20》文档。

关于EEPROM存储器，请参考“常用存储器介绍”章节，实验中的EEPROM，请参考其规格书《AT24C02》来了解。

22.1. I2C协议简介¶

I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。

下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。

22.1.1. I2C物理层¶

I2C通讯设备之间的常用连接方式见图23_1。

图 23‑1 常见的I2C通讯系统

它的物理层有如下特点：

它是一个支持设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达 3.4Mbit/s，但目前大多I²C设备尚不支持高速模式。
连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制。

22.1.2. 协议层¶

I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。

22.1.2.1. I2C基本读写过程¶

先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图23_2、图23_3 及图23_4。

图 23‑2 主机写数据到从机

图 23‑3 主机由从机中读数据

图 23‑4 I2C通讯复合格式

图例：

数据由主机传输至从机

S ：传输开始信号

SLAVE_ADDRESS: 从机地址

数据由从机传输至主机

R/W- ：传输方向选择位，1为读，0为写

A/A- ：应答(ACK)或非应答(NACK)信号

P ：停止传输信号

这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。

其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。

起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的，当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是7位或10位。

在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。

从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。

写数据

若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)，数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。

读数据

若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)，数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。

读和写数据

除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过 SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后，发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。

以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：

22.1.2.2. 通讯的起始和停止信号¶

前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 23‑5。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。

图 23‑5 起始和停止信号

22.1.2.3. 数据有效性¶

I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图23_6。 SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时，SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效，一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。

图 23‑6 数据有效性

每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。

22.1.2.4. 地址及数据方向¶

I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。 I2C协议规定设备地址可以是7位或10位，实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/)，第8位或第11位。数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图23_7。

图 23‑7 设备地址(7位)及数据传输方向

读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。

22.1.2.5. 响应¶

I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图23_8。

图 23‑8 响应与非响应信号

传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。

22.2. STM32的I2C特性及架构¶

如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)，就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它，不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器，都能按通讯标准交互。

由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。

相对地，还有“硬件协议”方式，STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号，收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。

22.2.1. STM32的I²C外设简介¶

STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持100Kbit/s和400Kbit/s的速率，支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的I2C外设还支持SMBus2.0协议，SMBus协议与I2C类似，主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus20》文档了解。

22.2.2. STM32的I²C架构剖析¶

图 23‑9 I2C架构图

22.2.2.1. 通讯引脚¶

I²C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。 STM32芯片有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚，见表 23‑1。关于GPIO引脚的复用功能，以《STM32F4xx规格书》为准。

表 23‑1 STM32F4xx的I2C引脚(整理自《STM32F4xx规格书》)

引脚	I2C1	I2C2	I2C3
SCL	PB6/PB10(重映射)	PH4/PF1/PB10	PH7/PA8
SDA	PB7/PB9(重映射)	PH5/PF0/PB11	PH8/PC9

22.2.2.2. 时钟控制逻辑¶

SCL线的时钟信号，由I²C接口根据时钟控制寄存器(CCR)控制，控制的参数主要为时钟频率。配置I2C的CCR寄存器可修改通讯速率相关的参数：

可选择I2C通讯的“标准/快速”模式，这两个模式分别I2C对应100/400Kbit/s的通讯速率。
在快速模式下可选择SCL时钟的占空比，可选Tlow/Thigh=2或Tlow/Thigh=16/9模式，我们知道 I2C协议在SCL高电平时对SDA信号采样，SCL低电平时SDA准备下一个数据，修改 SCL的高低电平比会影响数据采样，但其实这两个模式的比例差别并不大，若不是要求非常严格，这里随便选就可以了。
CCR寄存器中还有一个12位的配置因子CCR，它与I2C外设的输入时钟源共同作用，产生SCL时钟，STM32的I2C外设都挂载在APB1总线上，使用APB1的时钟源PCLK1，SCL信号线的输出时钟公式如下：

标准模式：

T_high=CCR*T_PCKL1 T_low = CCR*T_PCLK1

快速模式中T_low/T:sub:high=2时：

T_high = CCR*T_PCKL1 T_low = 2*CCR*T_PCKL1

快速模式中T_low/T:sub:high=16/9时：

T_high = 9*CCR*T_PCKL1 T_low = 16*CCR*T_PCKL1

例如，我们的PCLK1=42MHz，想要配置400Kbit/s的速率，计算方式如下：

PCLK时钟周期： TPCLK1 = 1/42000000

目标SCL时钟周期： TSCL = 1/400000

SCL时钟周期内的高电平时间： THIGH = TSCL/3

SCL时钟周期内的低电平时间： TLOW = 2*TSCL/3

计算CCR的值： CCR = THIGH/TPCLK1 = 35

计算结果得出CCR为35，向该寄存器位写入此值则可以控制IIC的通讯速率为400KHz，其实即使配置出来的SCL时钟不完全等于标准的400KHz，IIC通讯的正确性也不会受到影响，因为所有数据通讯都是由SCL协调的，只要它的时钟频率不远高于标准即可。

22.2.2.3. 数据控制逻辑¶

I2C的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去；当从外部接收数据的时候，数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE计算器运算，运算结果存储在“PEC寄存器”中。当STM32的I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时，数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C设备地址，两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。

22.2.2.4. 整体控制逻辑¶

整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时，控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态。除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。

22.2.3. 通讯过程¶

使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。

22.2.3.1. 主发送器¶

见图23_10 。图中的是“主发送器”流程，即作为I2C通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。

图 23‑10 主发送器通讯过程

主发送器发送流程及事件说明如下：

控制产生起始信号(S)，当发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；
紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”及“EV8”，这时SR1寄存器的“ADDR”位及“TXE”位被置1，ADDR 为1表示地址已经发送，TXE为1表示数据寄存器为空；
以上步骤正常执行并对ADDR位清零后，我们往I2C的“数据寄存器DR”写入要发送的数据，这时TXE位会被重置0，表示数据寄存器非空，I2C外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV8”事件，即TXE位被置1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；
当我们发送数据完成后，控制I2C设备产生一个停止信号(P)，这个时候会产生EV8_2事件，SR1的TXE位及BTF位都被置1，表示通讯结束。

假如我们使能了I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来判断是哪一个事件。

22.2.3.2. 主接收器¶

再来分析主接收器过程，即作为I2C通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图23_11。

图 23‑11 主接收器过程

主接收器接收流程及事件说明如下：

同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号后，它产生事件“EV5”，并会对SR1寄存器的“SB”位置1，表示起始信号已经发送；
紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV6”这时SR1寄存器的“ADDR”位被置1，表示地址已经发送。
从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV7”事件，SR1寄存器的RXNE被置1，表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)，若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；
发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。

在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位，比较复杂。我们可使用STM32HAL库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。

22.3. I2C初始化结构体详解¶

跟其它外设一样，STM32 HAL库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。初始化结构体及函数定义在库文件“stm32f4xx_hal_i2c.h”及“stm32f4xx_hal_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。了解初始化结构体后我们就能对I2C外设运用自如了，见代码清单23_1。

代码清单 23‑1 I2C初始化结构体¶

 typedef struct {

 uint32_t ClockSpeed; /*!< 设置SCL时钟频率，此值要低于40 0000*/

 uint32_t DutyCycle; /*指定时钟占空比，可选low/high = 2:1及16:9模式*/

 uint32_t OwnAddress1; /*指定自身的I2C设备地址1，可以是7-bit或者10-bit*/

 uint32_t AddressingMode;/*指定地址的长度模式，可以是7bit模式或者10bit模式 \*/

 uint32_t DualAddressMode; /*设置双地址模式 \*/

 uint32_t OwnAddress2; /*指定自身的I2C设备地址2，只能是 7-bit \*/

 uint32_t GeneralCallMode; /*指定广播呼叫模式 \*/

 uint32_t NoStretchMode; /*指定禁止时钟延长模式*/

 } I2C_InitTypeDef;

这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL库中定义的宏：

ClockSpeed

本成员设置的是I2C的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值写入到I2C的时钟控制寄存器CCR。这个数值的计算上一节已经说明。

DutyCycle

本成员设置的是I2C的SCL线时钟的占空比。该配置有两个选择，分别为低电平时间比高电平时间为2：1 (I2C_DUTYCYCLE_2)和16：9 (I2C_DUTYCYCLE_16_9)。其实这两个模式的比例差别并不大，一般要求都不会如此严格，这里随便选就可以了。

OwnAddress1

本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址1，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位或10位(受下面(3) AddressingMode成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用DualAddressMode成员使能，然后设置OwnAddress2成员即可，OAR2不支持10位地址。

AddressingMode

本成员选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到OwnAddress1成员，只有这里设置成10位模式时， OwnAddress1才支持10位地址。

DualAddressMode

本成员配置的是STM32的I2C设备自己的地址，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位或10位(受下面I2C_dual_addressing_mode成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址，若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置，OAR2不支持10位地址。

OwnAddress2

本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址2，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。

GeneralCallMode

本成员是关于I²C从模式时的广播呼叫模式设置。

NoStretchMode

本成员是关于I²C禁止时钟延长模式设置，用于在从模式下禁止时钟延长。它在主模式下必须保持关闭。

配置完这些结构体成员值，调用库函数HAL_I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。

22.4. I2C—读写EEPROM实验¶

EEPROM是一种掉电后数据不丢失的存储器，常用来存储一些配置信息，以便系统重新上电的时候加载之。 EEPOM芯片最常用的通讯方式就是I²C协议，本小节以EEPROM的读写实验为大家讲解STM32的I²C使用方法。实验中STM32的I2C外设采用主模式，分别用作主发送器和主接收器，通过查询事件的方式来确保正常通讯。

22.4.1. 硬件设计¶

我们的3块开发板上的EEPROM芯片接口都不同，如下：

F407-霸天虎开发板：PB8（I2C1_SCL）、PB9（I2C1_SDA）
F429-挑战者开发板：PB6（I2C1_SCL）、PB7（I2C1_SDA）
F407-骄阳电机开发板：PH4（I2C2_SCL）、PH5（I2C2_SDA）

具体硬件图见图23_12a、图23_12b、图23_12c。

图 23‑12a F407-霸天虎开发板：EEPROM硬件连接图

图 23‑12b F429-挑战者开发板：EEPROM硬件连接图

图 23‑12c F407-骄阳电机开发板：EEPROM硬件连接图

本实验三块开发板中的EEPROM芯片(型号：AT24C02)的SCL及SDA引脚都连接到了STM32对应的I2C引脚中，结合上拉电阻，构成了I2C通讯总线，它们通过I2C总线交互。EEPROM芯片的设备地址一共有7位，其中高4位固定为：1010 b，低3位则由A0/A1/A2信号线的电平决定，见图23_13，图中的R/W是读写方向位，与地址无关。

图 23‑13 EEPROM设备地址(摘自《AT24C02》规格书)

按照我们此处的连接，A0/A1/A2均为0，所以EEPROM的7位设备地址是：101 0000b ，即0x50。由于I2C通讯时常常是地址跟读写方向连在一起构成一个8位数，且当R/W位为0时，表示写方向，所以加上7位地址，其值为“0xA0”，常称该值为I2C设备的“写地址”；当R/W位为1时，表示读方向，加上7位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。

EEPROM芯片中还有一个WP引脚，具有写保护功能，当该引脚电平为高时，禁止写入数据，当引脚为低电平时，可写入数据，我们直接接地，不使用写保护功能。

关于EEPROM的更多信息，可参考其数据手册《AT24C02》来了解。若您使用的实验板EEPROM的型号、设备地址或控制引脚不一样，只需根据我们的工程修改即可，程序的控制原理相同。

22.4.2. 软件设计¶

为了使工程更加有条理，我们把读写EEPROM相关的代码独立分开存储，方便以后移植。在“工程模板”之上新建“bsp_i2c_ee.c”及“bsp_i2c_ee.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32HAL库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

22.4.2.1. 编程要点¶

配置通讯使用的目标引脚为开漏模式；
使能I2C外设的时钟；
配置I2C外设的模式、地址、速率等参数并使能I2C外设；
编写基本I2C按字节收发的函数；
编写读写EEPROM存储内容的函数；
编写测试程序，对读写数据进行校验。

22.4.2.2. 代码分析¶

22.4.2.2.1. I2C硬件相关宏定义¶

我们把I2C硬件相关的配置都以宏的形式定义到 “bsp_i2c_ee.h”文件中，见代码清单23_2a、代码清单23_2b、代码清单23_2c。

代码清单 23‑2a F407-霸天虎开发板：I2C硬件配置相关的宏¶

/* 这个地址只要与STM32外挂的I2C器件地址不一样即可 */
#define I2C_OWN_ADDRESS7      0X0A

#define I2Cx                             I2C1
#define I2Cx_CLK_ENABLE()                __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

#define I2Cx_FORCE_RESET()                __HAL_RCC_I2C1_FORCE_RESET()
#define I2Cx_RELEASE_RESET()              __HAL_RCC_I2C1_RELEASE_RESET()

/* Definition for I2Cx Pins */
#define I2Cx_SCL_PIN                    GPIO_PIN_8
#define I2Cx_SCL_GPIO_PORT              GPIOB
#define I2Cx_SCL_AF                     GPIO_AF4_I2C1
#define I2Cx_SDA_PIN                    GPIO_PIN_9
#define I2Cx_SDA_GPIO_PORT              GPIOB
#define I2Cx_SDA_AF                     GPIO_AF4_I2C1

代码清单 23‑2b F429-挑战者开发板：I2C硬件配置相关的宏¶

/* 这个地址只要与STM32外挂的I2C器件地址不一样即可 */
#define I2C_OWN_ADDRESS7      0X0A

#define I2Cx                             I2C1
#define I2Cx_CLK_ENABLE()                __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

#define I2Cx_FORCE_RESET()               __HAL_RCC_I2C1_FORCE_RESET()
#define I2Cx_RELEASE_RESET()             __HAL_RCC_I2C1_RELEASE_RESET()

/* Definition for I2Cx Pins */
#define I2Cx_SCL_PIN                    GPIO_PIN_6
#define I2Cx_SCL_GPIO_PORT              GPIOB
#define I2Cx_SCL_AF                     GPIO_AF4_I2C1
#define I2Cx_SDA_PIN                    GPIO_PIN_7
#define I2Cx_SDA_GPIO_PORT              GPIOB
#define I2Cx_SDA_AF                     GPIO_AF4_I2C1

代码清单 23‑2c F407-骄阳电机开发板：I2C硬件配置相关的宏¶

/* 这个地址只要与STM32外挂的I2C器件地址不一样即可 */
#define I2C_OWN_ADDRESS7      0X0A

#define I2Cx                             I2C2
#define I2Cx_CLK_ENABLE()                __HAL_RCC_I2C2_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE()
#define I2Cx_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE()

#define I2Cx_FORCE_RESET()               __HAL_RCC_I2C2_FORCE_RESET()
#define I2Cx_RELEASE_RESET()             __HAL_RCC_I2C2_RELEASE_RESET()

/* Definition for I2Cx Pins */
#define I2Cx_SCL_PIN                    GPIO_PIN_4
#define I2Cx_SCL_GPIO_PORT              GPIOH
#define I2Cx_SCL_AF                     GPIO_AF4_I2C2
#define I2Cx_SDA_PIN                    GPIO_PIN_5
#define I2Cx_SDA_GPIO_PORT              GPIOH
#define I2Cx_SDA_AF                     GPIO_AF4_I2C2

以上代码根据硬件连接，把与EEPROM通讯使用的I2C号、引脚号都以宏封装起来，并且定义了自身的I2C地址及通讯速率，以便配置模式的时候使用。

22.4.2.2.2. 初始化I2C的 GPIO¶

利用上面的宏，编写I2C GPIO引脚的初始化函数，见代码清单23_3。

代码清单 23‑3 I2C GPIO初始化函数¶

 void HAL_I2C_MspInit(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
 {
     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;

     /* ##使能使能外设和GPIO时钟*/
     /* 使能GPIO时钟*/
     I2Cx_SCL_GPIO_CLK_ENABLE();
     I2Cx_SDA_GPIO_CLK_ENABLE();
     /*使能 I2C1使能时钟 */
     I2Cx_CLK_ENABLE();

     /*##配置外设引脚 */
     /* I2C TX GPIO配置  */
     GPIO_InitStruct.Pin       = I2Cx_SCL_PIN;
     GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_OD;
     GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_NOPULL;
     GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FAST;
     GPIO_InitStruct.Alternate = I2Cx_SCL_AF;

     HAL_GPIO_Init(I2Cx_SCL_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

     /* I2C RX GPIO配置  */
     GPIO_InitStruct.Pin = I2Cx_SDA_PIN;
     GPIO_InitStruct.Alternate = I2Cx_SDA_AF;

     HAL_GPIO_Init(I2Cx_SDA_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

     /*强制I2C外设时钟复位*/
     I2Cx_FORCE_RESET() ;

     /*释放I2C外设时钟复位*/
     I2Cx_RELEASE_RESET();
 }

同为外设使用的GPIO引脚初始化，初始化的流程与“串口初始化函数”章节中的类似，主要区别是引脚的模式。函数执行流程如下：

使用GPIO_InitTypeDef定义GPIO初始化结构体变量，以便下面用于存储GPIO配置；
调用宏I2Cx_CLK_ENABLE()使能I2C外设时钟，调用宏定义I2Cx_SCL_GPIO_CLK_ENABLE()和I2Cx_SDA_GPIO_CLK_ENABLE()来使能I2C引脚使用的GPIO端口时钟。
向GPIO初始化结构体赋值，把引脚初始化成复用开漏模式，要注意I2C的引脚必须使用这种模式。
使用以上初始化结构体的配置，调用HAL_GPIO_Init函数向寄存器写入参数，完成GPIO的初始化。

22.4.2.2.3. 配置I2C的模式¶

以上只是配置了I2C使用的引脚，还不算对I2C模式的配置，见代码清单23_4。

代码清单 23‑4 配置I2C模式¶

 /**
 * @brief  I2C 工作模式配置
 * @param  无
 * @retval 无
 */
 static void I2C_Mode_Config(void)
 {

     I2C_Handle.Instance             = I2Cx;

     I2C_Handle.Init.AddressingMode  = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
     I2C_Handle.Init.ClockSpeed      = 400000;
     I2C_Handle.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
     I2C_Handle.Init.DutyCycle       = I2C_DUTYCYCLE_2;
     I2C_Handle.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
     I2C_Handle.Init.NoStretchMode   = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
     I2C_Handle.Init.OwnAddress1     = I2C_OWN_ADDRESS7 ;
     I2C_Handle.Init.OwnAddress2     = 0;
     /* Init the I2C */
     HAL_I2C_Init(&I2C_Handle);

     HAL_I2CEx_AnalogFilter_Config(&I2C_Handle, I2C_ANALOGFILTER_ENABLE);
 }

 /**
 * @brief  I2C 外设(EEPROM)初始化
 * @param  无
 * @retval 无
 */
 void I2C_EE_Init(void)
 {
     I2C_Mode_Config();
 }

熟悉STM32 I2C结构的话，这段初始化程序就十分好理解了，指定连接EEPROM的I2C为EEPROM_I2C这里是I2C4，时序配置为上面用工具计算出来的值，自身地址为0，地址设置为7bit模式，关闭双地址模式，自身地址2也为0，禁止通用广播模式，禁止时钟延长模式。最后调用库函数HAL_I2C_Init把这些配置写入寄存器。

为方便调用，我们把I2C的GPIO及模式配置都用I2C_EE_Init函数封装起来。

22.4.2.2.4. 向EEPROM写入一个字节的数据¶

初始化好I2C外设后，就可以使用I2C通讯了，我们看看如何向EEPROM写入一个字节的数据，见代码清单23_5。

代码清单 23‑5 向EEPROM写入一个字节的数据¶

 /**
 * @brief   写一个字节到I2C EEPROM中
 * @param
 *   @arg pBuffer:缓冲区指针
 *   @arg WriteAddr:写地址
 * @retval  无
 */
 uint32_t I2C_EE_ByteWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr)
 {
     HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

     status = HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS, (uint16_t)
             WriteAddr, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, pBuffer, 1, 100);

     /* Check the communication status */
     if (status != HAL_OK) {
         /* Execute user timeout callback */
         //I2Cx_Error(Addr);
     }
     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

     }

     /* Check if the EEPROM is ready for a new operation */
     while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,
             EEPROM_MAX_TRIALS, I2Cx_TIMEOUT_MAX) == HAL_TIMEOUT);

     /* Wait for the end of the transfer */
     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

     }
     return status;
 }

这里我们只是简单调用库函数HAL_I2C_Mem_Write就可以实现，通过封装一次使用更方。

在这个通讯过程中，STM32实际上通过I2C向EEPROM发送了两个数据，但为何第一个数据被解释为EEPROM的内存地址？这是由EEPROM的自己定义的单字节写入时序，见图23_14.

图 23‑14 EEPROM单字节写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

EEPROM的单字节时序规定，向它写入数据的时候，第一个字节为内存地址，第二个字节是要写入的数据内容。所以我们需要理解：命令、地址的本质都是数据，对数据的解释不同，它就有了不同的功能。

22.4.2.2.5. EEPROM的页写入¶

在以上的数据通讯中，每写入一个数据都需要向EEPROM发送写入的地址，我们希望向连续地址写入多个数据的时候，只要告诉EEPROM第一个内存地址address1，后面的数据按次序写入到address2、address3… 这样可以节省通讯的内容，加快速度。为应对这种需求，EEPROM定义了一种页写入时序，见图23_15。

图 23‑15 EEPROM页写入时序(摘自《AT24C02》规格书)

根据页写入时序，第一个数据被解释为要写入的内存地址address1，后续可连续发送n个数据，这些数据会依次写入到内存中。其中AT24C02型号的芯片页写入时序最多可以一次发送8个数据(即n = 8 )，该值也称为页大小，某些型号的芯片每个页写入时序最多可传输16个数据。EEPROM的页写入代码实现见代码清单23_6。

代码清单 23‑6 EEPROM的页写入¶

 /**
 * @brief  在EEPROM的一个写循环中可以写多个字节，但一次写入的字节数
 *         不能超过EEPROM页的大小，AT24C02每页有8个字节
 * @param
 *   @arg pBuffer:缓冲区指针
 *   @arg WriteAddr:写地址
 *     @arg NumByteToWrite:写的字节数
 * @retval  无
 */
 uint32_t I2C_EE_PageWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
 uint8_t NumByteToWrite)
 {
     HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
     /* Write EEPROM_PAGESIZE */
     status=HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,WriteAddr,
 I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t*)(pBuffer),NumByteToWrite, 100);

     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

     }

     /* Check if the EEPROM is ready for a new operation */
     while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, EEPROM_ADDRESS,
 EEPROM_MAX_TRIALS, I2Cx_TIMEOUT_MAX) == HAL_TIMEOUT);

     /* Wait for the end of the transfer */
     while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {

     }
     return status;
 }

这段页写入函数主体跟单字节写入函数是一样的，只是它在发送数据的时候，使用while循环控制发送多个数据，发送完多个数据后才产生I2C停止信号，只要每次传输的数据小于等于EEPROM时序规定的页大小，就能正常传输。

22.4.2.2.6. 多字节写入¶

多次写入数据时，利用EEPROM的页写入方式，避免单字节读写时候的等待。多个数据写入过程见代码清单23_7。

代码清单 23‑7 多字节写入¶

 /**
 * @brief   将缓冲区中的数据写到I2C EEPROM中
 * @param
 *   @arg pBuffer:缓冲区指针
 *   @arg WriteAddr:写地址
 *     @arg NumByteToWrite:写的字节数
 * @retval  无
 */
 void I2C_EE_BufferWrite(uint8_t* pBuffer, uint8_t WriteAddr,
 uint16_t NumByteToWrite)
 {
     uint8_t NumOfPage = 0, NumOfSingle = 0, Addr = 0, count = 0;

     Addr = WriteAddr % EEPROM_PAGESIZE;
     count = EEPROM_PAGESIZE - Addr;
     NumOfPage =  NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
     NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;

     /* If WriteAddr is I2C_PageSize aligned  */
     if (Addr == 0) {
         /* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */
         if (NumOfPage == 0) {
             I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
         }
         /* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */
         else {
             while (NumOfPage--) {
                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
                 WriteAddr +=  EEPROM_PAGESIZE;
                 pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
             }

             if (NumOfSingle!=0) {
                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
             }
         }
     }
     /* If WriteAddr is not I2C_PageSize aligned  */
     else {
         /* If NumByteToWrite < I2C_PageSize */
         if (NumOfPage== 0) {
             I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
         }
         /* If NumByteToWrite > I2C_PageSize */
         else {
             NumByteToWrite -= count;
             NumOfPage =  NumByteToWrite / EEPROM_PAGESIZE;
             NumOfSingle = NumByteToWrite % EEPROM_PAGESIZE;

             if (count != 0) {
                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, count);
                 WriteAddr += count;
                 pBuffer += count;
             }

             while (NumOfPage--) {
                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, EEPROM_PAGESIZE);
                 WriteAddr +=  EEPROM_PAGESIZE;
                 pBuffer += EEPROM_PAGESIZE;
             }
             if (NumOfSingle != 0) {
                 I2C_EE_PageWrite(pBuffer, WriteAddr, NumOfSingle);
             }
         }
     }
 }

很多读者觉得这段代码的运算很复杂，看不懂，其实它的主旨就是对输入的数据进行分页(本型号芯片每页8个字节)，见表 23‑2。通过“整除”计算要写入的数据NumByteToWrite能写满多少“完整的页”，计算得的值存储在NumOfPage中，但有时数据不是刚好能写满完整页的，会多一点出来，通过“求余”计算得出“不满一页的数据个数”就存储在NumOfSingle中。计算后通过按页传输NumOfPage次整页数据及最后的NumOfSing个数据，使用页传输，比之前的单个字节数据传输要快很多。

除了基本的分页传输，还要考虑首地址的问题，见表 23‑3。若首地址不是刚好对齐到页的首地址，会需要一个count值，用于存储从该首地址开始写满该地址所在的页，还能写多少个数据。实际传输时，先把这部分count个数据先写入，填满该页，然后把剩余的数据(NumByteToWrite-count)，再重复上述求出NumOPage及NumOfSingle的过程，按页传输到EEPROM。

若writeAddress=16，计算得Addr=16%8= 0 ，count=8-0= 8；
同时，若NumOfPage=22，计算得NumOfPage=22/8= 2，NumOfSingle=22%8= 6。
数据传输情况如表 23‑2

表 23‑2 首地址对齐到页时的情况

不影响	0	1	2	3	4	5	6	7
不影响	8	9	10	11	12	13	14	15
第1页	16	17	18	19	20	21	22	23
第2页	24	25	26	27	28	29	30	31
NumOfSingle=6	32	33	34	35	36	37	38	39

若writeAddress=17，计算得Addr=17%8= 1，count=8-1= 7；
同时，若NumOfPage=22，
先把count去掉，特殊处理，计算得新的NumOfPage=22-7= 15
计算得NumOfPage=15/8= 1，NumOfSingle=15%8= 7。
数据传输情况如表 23‑3

表 23‑3 首地址未对齐到页时的情况

不影响	0	1	2	3	4	5	6	7
不影响	8	9	10	11	12	13	14	15
count=7	16	17	18	19	20	21	22	23
第1页	24	25	26	27	28	29	30	31
NumOfSingle=7	32	33	34	35	36	37	38	39

最后，强调一下，EEPROM支持的页写入只是一种加速的I2C的传输时序，实际上并不要求每次都以页为单位进行读写，EEPROM是支持随机访问的(直接读写任意一个地址)，如前面的单个字节写入。在某些存储器，如NAND FLASH，它是必须按照Block写入的，例如每个Block为512或4096字节，数据写入的最小单位是Block，写入前都需要擦除整个Block；NOR FLASH则是写入前必须以Sector/Block为单位擦除，然后才可以按字节写入。而我们的EEPROM数据写入和擦除的最小单位是“字节”而不是“页”，数据写入前不需要擦除整页。

22.4.2.2.7. 从EEPROM读取数据¶

从EEPROM读取数据是一个复合的I2C时序，它实际上包含一个写过程和一个读过程，见图23_16。

图 23‑16 EEPROM数据读取时序

读时序的第一个通讯过程中，使用I2C发送设备地址寻址(写方向)，接着发送要读取的“内存地址”；第二个通讯过程中，再次使用I2C发送设备地址寻址，但这个时候的数据方向是读方向；在这个过程之后，EEPROM会向主机返回从“内存地址”开始的数据，一个字节一个字节地传输，只要主机的响应为“应答信号”，它就会一直传输下去，主机想结束传输时，就发送“非应答信号”，并以“停止信号”结束通讯，作为从机的EEPROM也会停止传输。HAL库已经帮我们实现了这一个过程，我们只是简单封装一下就可以直接使用，实现代码见代码清单23_8。

代码清单 23‑8 从EEPROM读取数据¶

 /**
 * @brief   从EEPROM里面读取一块数据
 * @param
 *   @arg pBuffer:存放从EEPROM读取的数据的缓冲区指针
 *   @arg WriteAddr:接收数据的EEPROM的地址
 *     @arg NumByteToWrite:要从EEPROM读取的字节数
 * @retval  无
 */
 uint32_t I2C_EE_BufferRead(uint8_t* pBuffer, uint8_t ReadAddr, uint16_t NumByteToRead)
 {
     HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;

     status=HAL_I2C_Mem_Read(&I2C_Handle,EEPROM_ADDRESS,ReadAddr,
     I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, (uint8_t *)pBuffer, NumByteToRead, 1000);

     return status;
 }

这里代码非常简单，我们只需要确定I2C的地址，数据格式，数据存储指针，数据大小，超时设置就可以把想要的数据读回来。

22.4.2.3. main文件¶

22.4.2.3.1. EEPROM读写测试函数¶

完成基本的读写函数后，接下来我们编写一个读写测试函数来检验驱动程序，见代码清单23_9。

代码清单 23‑9 EEPROM读写测试函数¶

 /**
 * @brief  I2C(AT24C02)读写测试
 * @param  无
 * @retval 正常返回1 ，不正常返回0
 */
 uint8_t I2C_Test(void)
 {
     uint16_t i;

     EEPROM_INFO("写入的数据");

     for ( i=0; i<DATA_Size; i++ ) { //填充缓冲
         I2c_Buf_Write[i] =i;
         printf("0x%02X ", I2c_Buf_Write[i]);
         if (i%16 == 15)
             printf("\n\r");
     }

     //将I2c_Buf_Write中顺序递增的数据写入EERPOM中
     I2C_EE_BufferWrite( I2c_Buf_Write, EEP_Firstpage, DATA_Size);

     EEPROM_INFO("读出的数据");
     //将EEPROM读出数据顺序保持到I2c_Buf_Read中
     I2C_EE_BufferRead(I2c_Buf_Read, EEP_Firstpage, DATA_Size);
     //将I2c_Buf_Read中的数据通过串口打印
     for (i=0; i<DATA_Size; i++) {
         if (I2c_Buf_Read[i] != I2c_Buf_Write[i]) {
             printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);
             EEPROM_ERROR("错误:I2C EEPROM写入与读出的数据不一致");
             return 0;
         }
         printf("0x%02X ", I2c_Buf_Read[i]);
         if (i%16 == 15)
             printf("\n\r");

     }
     EEPROM_INFO("I2C(AT24C02)读写测试成功");
     return 1;
 }

代码中先填充一个数组，数组的内容为1,2,3至N，接着把这个数组的内容写入到EEPROM中，写入时采用页写入的方式。写入完毕后再从EEPROM的地址中读取数据，把读取得到的与写入的数据进行校验，若一致说明读写正常，否则读写过程有问题或者EEPROM芯片不正常。其中代码用到的EEPROM_INFO跟EEPROM_ERROR宏类似，都是对printf函数的封装，使用和阅读代码时把它直接当成printf函数就好。具体的宏定义在“bsp_i2c_ee.h文件中”，在以后的代码我们常常会用类似的宏来输出调试信息。

22.4.2.3.2. main函数¶

最后编写main函数，函数中初始化串口、I2C外设，然后调用上面的I2C_Test函数进行读写测试，见代码清单23_10。

代码清单 23‑10 main函数¶

 /**
 * @brief  主函数
 * @param  无
 * @retval 无
 */
 int main(void)
 {
     /* 配置系统时钟为168 MHz */
     SystemClock_Config();

     /* 初始化RGB彩灯 */
     LED_GPIO_Config();

     LED_BLUE;
     /*初始化USART1*/
     UARTx_Config();

     printf("\r\n 欢迎使用野火  STM32 F4 系列开发板。\r\n");

     printf("\r\n 这是一个I2C外设(AT24C02)读写测试例程 \r\n");

     /* I2C 外设初(AT24C02)始化 */
     I2C_EE_Init();

     if (I2C_Test() ==1) {
         LED_GREEN;
         //LED_ALLON;    //对于F407-骄阳开发板没有 RGB 彩灯，用普通 LED灯代替
     } else {
         LED_RED;
         //LED2_ON;      //对于F407-骄阳开发板没有 RGB 彩灯，用普通 LED灯代替
     }

     while (1) {

     }
 }

22.4.3. 下载验证¶

用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到EEPROM测试的调试信息。