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12.3 EEPROM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。 12.3.1 EEPROM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。 12.3.2 EEPROM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4个字节，然后把这4个数据分别加1，加2，加3， 加4后重新写入到这四个地址中去。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 = buf + 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。 12.3.3 EEPROM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 = buf + 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。
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