iic时序结构和AT24C02储存器

声明：本人跟随b站江科大学习，本文章是观看完视频后的一些个人总结和经验分享。（仅仅是个人的理解和看法，可能有误，也希望大家能帮忙纠正，谢谢大家❤️）

目录

课前问题

正文部分

一、IIC和AT24C02理论部分

1.基本介绍

2.电路规范

1）所有的I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起：

2）设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式：

3）SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7千欧左右：

3.线与

4.主机和从机和从机的区别

5.时序结构

        解释为什么需要释放SDA，以及为什么SDA置1就是释放总线

        那么为什么SDA置1就是释放总线呢？

        那为什么只有接受字节和接受应答才需要释放总线呢？

6.数据帧

iic数据帧

AT24C02的数据帧

二、IIC和AT24C02代码部分

        1.iic

        2.at24c02

相信各位小伙伴看完江科大这期AT24C02（I2C总线）的视频还是会有点疑惑的，首先肯定是不知道iic的电路规范为什么是这样的，其次是时序结构里面出现了“释放总线”这个初学比较抽象的概念，对主机和从机的概念也比较模糊，然后就是iic和AT24C02的数据帧及其代码的敲写。

在介绍下面内容之前先给大家留几个问题，在看完文章之后，可以问一下自己这几个问题，觉得没问题，那恭喜你这篇文章你理解的差不多了💪💪💪

课前问题

  • SCL和SDA分别是什么
  • “线与”的作用
  • 为什么要使用开漏输出和上拉电阻
  • 为什么接受字节和接受应答需要释放SDA，发送字节和发送应答呢
  • SDA置1为什么就能够释放总线

正文部分

一、IIC和AT24C02理论部分

1.基本介绍

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 负责同步作用的是我们的SCL串行时间线，半双工则是因为接受和传输都只用SDA串行数据线这一根线，带数据应答则是发送字节和接受字节这里都会产生应答，表示有没有接收到数据(后面还会细说)。

PS：同步和，异步和半双工不太清楚的小伙伴可以去阅读一下这篇文章，以加强理解。单片机学习笔记---串口通信（1）_单片机db9-CSDN博客

2.电路规范

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1）所有的I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起：

        在这里是为区别于串口通信使TXD和RXD交叉连接

2）设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式：

        在了解开漏输出之前，先给大家介绍一下弱上拉(我们的IO口其实就是一种弱上拉，而且其实也是一种开漏输出，只不过加了一个弱上拉电阻而已)，目的是增强IO口的驱动能力，那为什么能够增强IO口的驱动能力呢？

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看这个图，其中R为弱上拉电阻，当S处给0时，开关闭合，给1开关断开(可能是因为是三极管中的PNP类型)，如果开关闭合，则会连通GND，M端输出则为0，如果开关断开，则直接连接与VCC，M端输出为1，由于高电平驱动力弱，低电平驱动能力强，所以当S处给0时，IO口的驱动能力更强。

那我们的开漏输出其实就是没有这个弱上拉电阻

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那这个时候我们S给0，M端输出还是0，但是当S给1时，M端就处于一种名为高阻态的状态，即引脚浮空，输出既不是1也不是0。那么显而易见上拉电阻那部分电路的作用其实就出来了，即实现外部上拉，让我们的IO口具有输出1的能力。

PS：通常开漏输出和推挽输出的区别就在于，推挽输出有上拉电阻那部分的电路，使该输出模式具有输出1的能力。

介绍完弱上拉和开漏输出之后，那究竟为什么要将SCL和SDA全部配置成开漏输出呢？

原来是因为我们的iic能够实现多机通信，当CPU想要和其中一个从机单独进行通信时，其他从机或多或少会对通信产生影响，那么我们在与该从机通讯时，需要将其他从机全部断开，这个时候我们只需要利用开漏模式，将引脚给1，那么该引脚浮空，就当于断开了。

PS：你们可能还会有个疑问，那就是如果SDA和SCL全部采用弱上拉，引脚全部置1，由于高电平驱动能力弱，相当于断开从机，这样看似乎也行。但是要知道全部采取弱上拉的时候，弱上拉电阻不断并联，总阻值变小，上拉能力越强(大概原因是因为当电压U不变时，I=U/R，R越小I越大，上拉能力越强),此时其他从机的上拉电阻多少会对正在通信的从机产生影响，故还是采用开漏输出最好。

3）SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7千欧左右：

上面说了开漏输出是不具备输出1的能力的，CPU(这里的CPU相当于开关S，M相当于SDA或者SCL)如果想发送1，由于没有东西能把电平拉高，我们的SDA和SCL就不能等于1，但是我们iic作为一种通信，两根通信线不可能不具备输出1的能力(即SDA=1和SCL=1)，所以我们在SCL和SDA各加上一个上拉电阻，使具备输出1的能力。所以当其他从机都断开时候，我们CPU如果要发送0(即开关S=0)，那么从机(从机连着GND)就连上了，这个时候M端就输出0(即SDA或者SCL等于0)，如果要发送1(S=1)，那从机就断开连接了，上拉电阻会自动把M端电平拉高，输出1。

我们这里所说的SDLA和SCL=1，电平拉高实际上就是拉高iic总线，SDA，SCL=0就是拉低总线

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4）这一点我放在下面讲

其中2）和3）的理解很重要，两个的作用也是为了解决iic多机通信互相干扰的问题

3.线与

上面说开漏输出和上拉电阻共同实现了"线与"功能，那什么是“线与”呢？

这里简单介绍一下线与：是一种存在于总线上的逻辑关系，“与”顾名思义，即逻辑与“&”，举个例子，现在所有从机的输出都为1，那么1&1还是1，但是如果有一个从机输出为0，那么0&任何数都为0，那么其余从机无论输出什么，最后都会变成0。

所以我们使用开漏输出和上拉电阻后断开了其他从机，总线上只有主机和被通信从机的线与关系，由于iic支持多主机和多从机进行通信，那么如何判断谁占用了总线呢？线与机制就是用来实现总线仲裁的，判断谁占用了总线。（这里有个低电平优先原则：哪个设备先发送低电平，谁就控制总线；我是0，那么你们输出是0是1都要看我，差不多就这个意思）

PS：不清楚总线制裁的可以看看这篇文章IIC总线仲裁机制_iic仲裁机制-CSDN博客

4.主机和从机和从机的区别

主机：既能够操作SCL线也能够操作SDA（虽然能够有多个主机，但是由于总线制裁，所以只能有一个主机操作SCL）

从机：只能够操作SDA线

5.时序结构

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起始和终止的时序比较简单，需要注意的地方是，“起始”里面的SCL在SDA电平切换完成后，自身需要从高电平下拉到低电平，“停止”则不需要

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发送字节需要注意的点：

  • SCL低电平期间开始放数据
  • 主机将数据位依次放在SDA线上（即主机操纵SDA线）
  • 高位在前（即先读取二进制的最高位）
  • 拉高SCL，从机读取数据
  • 拉高SCL读完数据后，SCL还要拉低
  • 图中SDA有两条线，并不是真的有两条，而是有两种电平转换的情况，低转高，或者高转低

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接收字节需要注意的点：

  • SCL低电平期间开始放数据
  • 从机将数据位依次放在SDA线上（即从机操纵SDA线）
  • 高位在前（即先读取二进制的最高位）
  • 拉高SCL，主机读取数据
  • 拉高SCL读完数据后，SCL还要拉低
  • 主机在接收之前，需要释放SDA(SDA置1)
        解释为什么需要释放SDA，以及为什么SDA置1就是释放总线

        上面我们讲过从机和主机都能操纵SDA，之间存在线与关系。但是接受字节时要求是从机操纵SDA，如果不释放SDA将SDA控制权交给从机的话，那么由于线与关系，我们主机若果输出0的话，那么无论从机发送啥，输出都会变为0，这样肯定是不行的。所以我们在主机接受数据之前要将SDA置1，将SDA控制权交给从机，是从机能够正常发送数据。

        那么为什么SDA置1就是释放总线呢？

        我们刚刚讲过弱上拉，但是在这里SDA线既是M端又是开关S。当SDA置0时，开关闭合，SDA靠的是从机或者主机的VCC将其拉低为低电平，根据低电平优先原则，那就相当于掌握了SDA的控制权；当SDA置1时，开关断开，SDA靠的是上拉电阻外部上拉使其为高电平，那么由于开关断开，你失去将SDA置0的能力了，就是失去对SDA的控制权，那么这个时候其他设备就可以根据总线制裁抢SDA的控制权，所以我们一般说SDA置1就是释放总线

        那为什么只有接受字节和接受应答才需要释放总线呢？

        其实发送字节和发送应答都也释放了总线，因为我们的SDA控制权不可能给从机之后不归还给主机，从机在发送完数据后，从机内部其实会自动释放总线，控制权就又回到了主机的手里，在代码里面我们不写从机代码，看不到从机释放总线的过程，就会误认为发送不需要释放总线

  • 图中SDA有两条线，并不是真的有两条SDA，而是有两种电平转换的情况，低转高，或者高转低

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发送应答和接受应答差不多，都是为了让主机(从机)知道从机(主机)接受到了字节，区别有以下几点：

        1）发送应答用于接收字节之后，接收应答用于发送字节之后

        2）发送应答：主机在SCL低电平时候变换SDA发送应答位，从机在SCL高电平时读取(由于此时主机变换SDA，所以操纵SDA的为主机)

              接收应答：从机在SCL低电平时候变换SDA发送应答位，主机在SCL高电平时读取(由于此时从机变换SDA，所以操纵SDA的为从机)

        3）由于在发送应答和接收应答中，操纵SDA的设备不一样，所以在进行接收应答是需要对SDA置1释放总线

6.数据帧

iic数据帧

上面的每一个时序下面都有对应方块表示，这里数据帧这样表示更方便

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整个数据帧比较容易看懂，即起始(S)->发送从机地址和读写位(S:SLAVE ADDRESS+W)->接收应答(RA:0)->发送我们其他需要传输的字节(S:BYTE)->接收应答(RA:0)->……->终止(P)

需要介绍的就是从机地址和读写位：

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前七位就是我们的从机地址，最后一位是读写位(1为读，0为写)，从机地址决定我们是读去(写入)哪一个从机。

PS：前四位A6~A3如果是同样的从机，那就是是固定的，我们每个从机申请iic通信时候，公司会给该设备一个固定的数字，AT24C02就是1010，后面A2~A0三位则是用来处理一个主线挂载多个同类型的从机的情况，控制这三位就可以选择多个相同类型从机中的一个进行输出

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如图为我们AT24C02里的一种储存介质，这里的E0，E1，E2就是我们的A0，A1，A2，可以看到都接着GND，我们就全配置为0即可

读写位就是控制向从机中输出数据还是读取从机中的数据，发送应答读写位为写

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接受的数据帧也是一样的，都一个道理，这里读写位为读而已，最后的(SA：1)，发送应答为0为1都可以，复合格式就是移除发送数据帧的P再加上接收数据帧

AT24C02的数据帧

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先了解一下字地址（WORD ADDRESS),即AT24C02中存储空间的地址(有2^8个位置，0~255)。

我们发现与iic的数据帧相比，AT24C02多了一个需要发送字地址的过程，其他的都大差不差。

二、IIC和AT24C02代码部分

        写代码之前，给大家强调一句话，只写主机代码，不写从机代码，从机程序自动执行

        1.iic

  1. #include 
  2. //引脚定义
  3. sbit I2C_SCL=P2^1;
  4. sbit I2C_SDA=P2^0;

      先写起始和终止的时序

  1. /**
  2.   * @brief  I2C开始
  3.   * @param  无
  4.   * @retval 无
  5.   */
  6. void I2C_Start(void)
  7. {
  8. 	I2C_SDA=1;//先给SDA置1，因为不知道上一次结束时候SDA为1还是0，保证时序不出问题
  9. 	I2C_SCL=1;//拉高SCL
  10. 	I2C_SDA=0;//拉低SDA
  11. 	I2C_SCL=0;//最后清零
  12. }
  13.  
  14. /**
  15.   * @brief  I2C停止
  16.   * @param  无
  17.   * @retval 无
  18.   */
  19. void I2C_Stop(void)
  20. {
  21. 	I2C_SDA=0;//一样的先给SDA置0
  22. 	I2C_SCL=1;//拉高SCL
  23. 	I2C_SDA=1;//拉低SDA
  24.     //那么为什么不需要给SCL清零呢，我们一定要对着时序图写代码，终止的时序最后SCL为1
  25. }

       下面写发送和接收一个字节的时序

  1. /**
  2.   * @brief  I2C发送一个字节
  3.   * @param  Byte 要发送的字节
  4.   * @retval 无
  5.   */
  6.  
  7. //这下面写的都是主机代码
  8. void I2C_SendByte(unsigned char Byte)
  9. {
  10. 	unsigned char i;
  11. 	for(i=0;i<8;i++)//根据时序，每次发送一位，循环八次，发送一个字节
  12. 	{
  13. 		I2C_SDA=Byte&(0x80>>i);//从高到低取出写入字节的每一位赋值给SDA，
  14.                                //即主机将数据放在SDA线上让从机读取
  15.                                
  16. 		I2C_SCL=1;//拉高SCL让从机读取，这里从机是自动读取的，无需写从机代码
  17. 		I2C_SCL=0;//拉高后迅速拉低，由于51单片机速度较慢，无需延时迅速拉低没有影响，
  18.                   //但是若涉及到运算速度快的单片机，则应当延时     
  19. 	}
  20. }
  21.  
  22.  
  23. /**
  24.   * @brief  I2C接收一个字节
  25.   * @param  无
  26.   * @retval 接收到的一个字节数据
  27.   */
  28. unsigned char I2C_ReceiveByte(void)
  29. {
  30. 	unsigned char i,Byte=0x00;
  31. 	I2C_SDA=1;//先释放总线，让从机获得SDA控制权
  32. 	for(i=0;i<8;i++)
  33. 	{
  34. 		I2C_SCL=1;//拉高SCL，在高电平时候从机将数据放在SDA线上
  35. 		if(I2C_SDA){Byte|=(0x80>>i);}//如果从机放的是1，则让Byte的第最高位置1
  36.                                      //如果放的是0，则Byte最高位默认为0
  37.                                      //用循环实现每一位的判断与赋值
  38. 		I2C_SCL=0;最后拉低SCL
  39. 	}
  40. 	return Byte;
  41. }

         最后是发送应答和接收应答

  1. /**
  2.   * @brief  I2C发送应答
  3.   * @param  AckBit 应答位，0为应答，1为非应答
  4.   * @retval 无
  5.   */
  6.  
  7. void I2C_SendAck(unsigned char AckBit)
  8. {
  9. 	I2C_SDA=AckBit;//主机发送应答位，将应答位放在SDA线上，让从机读取
  10. 	I2C_SCL=1;     //拉高SCL，让从机读取，从机自动读取，无需写代码
  11. 	I2C_SCL=0;     //最后拉低SCL
  12. }
  13.  
  14.  
  15. /**
  16.   * @brief  I2C接收应答位
  17.   * @param  无
  18.   * @retval 接收到的应答位，0为应答，1为非应答
  19.   */
  20.  
  21.  
  22. unsigned char I2C_ReceiveAck(void)
  23. {
  24. 	unsigned char AckBit;
  25. 	I2C_SDA=1;     //释放总线，控制权交给从机
  26.                    //中间从机自动将应答位放在SDA线上，不写从机代码
  27. 	I2C_SCL=1;     //拉高SCL让主机读取
  28. 	AckBit=I2C_SDA;//主机读取到应答位，存入AckBit
  29. 	I2C_SCL=0;     //拉低SCL
  30. 	return AckBit; //返回应答位
  31. }

产生代码上的疑惑，一般都是觉得不写从机代码，时序总感觉对不上，这个地方不需要纠结太多，心里知道从机会什么时候发送，什么时候接受数据就行 

这样六个部分的代码就都写好了 ，最后组合成数据帧就能够用于各种各样的iic通信中了

       2.at24c02

  1. #include 
  2. #include "I2C.h"
  3.  
  4. #define AT24C02_ADDRESS		0xA0//宏定义从机地址
  5.  
  6. /**
  7.   * @brief  AT24C02写入一个字节
  8.   * @param  WordAddress 存储要写入字节的位置，0~255
  9.   * @param  Data 要写入的数据
  10.   * @retval 无
  11.   */
  12. void AT24C02_WriteByte(unsigned char WordAddress,Data)
  13. {
  14. 	I2C_Start();
  15. 	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);//写入从机地址和读写位
  16. 	I2C_ReceiveAck();
  17. 	I2C_SendByte(WordAddress);//写入字地址
  18. 	I2C_ReceiveAck();
  19. 	I2C_SendByte(Data);
  20. 	I2C_ReceiveAck();
  21. 	I2C_Stop();
  22. }
  23.  
  24. /**
  25.   * @brief  AT24C02读取一个字节
  26.   * @param  WordAddress 存储要读出字节的位置
  27.   * @retval 读出的数据
  28.   */
  29. unsigned char AT24C02_ReadByte(unsigned char WordAddress)
  30. {
  31. 	unsigned char Data;
  32. 	I2C_Start();
  33. 	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS);
  34. 	I2C_ReceiveAck();
  35. 	I2C_SendByte(WordAddress);
  36. 	I2C_ReceiveAck();
  37. 	I2C_Start();
  38. 	I2C_SendByte(AT24C02_ADDRESS|0x01);//这里|0x01是为了使最后一位从0变为1，从写变成读
  39. 	I2C_ReceiveAck();
  40. 	Data=I2C_ReceiveByte();//获得读到字节赋值给Data
  41. 	I2C_SendAck(1);
  42. 	I2C_Stop();
  43. 	return Data;
  44. }

由于AT24C02读取和写入字节一次都只能读或写一个字节，能够表示数字的大小就2^8=256，这个时候肯定不会不够用，那么如何让int类型变量存入和读取呢？大家可以看下我的上一篇博客，里面有提到51单片机中操作符的妙用-CSDN博客

本节文章就介绍这么多(大部分都是理论介绍，可能有点枯燥哈，不过我写起来倒是觉得挺有趣的)，希望对大家能够有所帮助！！！以后还会继续写博客，与大家分享在学习过程中遇到一些难题和趣题，以及个人学习的经验，也欢迎大家在评论区发表自己的意见，相互交流经验，指出不足，最后谢谢大家阅读！( ˘ ³˘)♥

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注：本文转载自blog.csdn.net的瑜先森的文章"https://blog.csdn.net/2401_87412882/article/details/144462643"。版权归原作者所有，此博客不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如有侵权，请联系我们删除。
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