上一章所講的UART通信屬于異步通信，比如計算機發送數據給單片機，計算機只負責把數據通過TXD發送出來，接收數據是單片機自己的事情。而IIC和SPI都屬于同步通信，收發雙方需要一條時鐘線來控制收發雙方的通信節奏。

從應用上來講，UART通信多用于板間通信，比如單片機和計算機，這個設備和另外一個設備之間的通信。而IIC和SPI多用于板內通信，比如使用IIC進行單片機和EEPROM的通信，比如使用SPI進行單片機和FLASH之間的通信。

16.1 IIC總線協議

在硬件上，IIC總線是由時鐘總線SCL和數據總線SDA兩條線構成，其中SCL為時鐘線，SDA為數據線，如圖6-1所示。總線上可以同時連接多個器件，所有器件的SCL都連到一起，所有SDA都連到一起。

6-1 IIC總線時序圖

起始信號：IIC通信的起始信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由高電平變化到低電平產生的一個下降沿，表示一次通信過程的開始，如圖6-2中的Start部分所示。

數據傳輸：IIC通信是高位在前，低位在后。IIC通信要求當SCL在低電平的時候，SDA允許變化，也就是說，發送方必須先保持SCL是低電平，才可以改變數據線SDA，輸出要發送的當前數據的一個位；而當SCL在高電平的時候，SDA絕對不可以變化，因為這個時候，接收方要來讀取當前SDA的電平信號是0還是1，因此要保證SDA的穩定，如圖6-1中的每一位數據的變化，都是在SCL的低電平位置。8位數據位后邊跟著的是一位應答位，應答位我們后邊還要具體介紹。

停止信號：IIC通信停止信號的定義是SCL為高電平期間，SDA由低電平向高電平變化產生一個上升沿，表示一次通信過程的結束，如圖6-1中的Stop部分所示。

26.2 IIC尋址模式

上一節介紹的是IIC每一位信號的時序流程，而IIC通信在字節級的傳輸中，也有固定的時序要求。IIC通信的起始信號(Start)后，首先要發送一個從機的地址，這個地址一共有7位，緊跟著的第8位是數據方向位(R/W)，“0”表示接下來要發送數據（寫），“1”表示接下來是請求數據（讀）。

Kingst-32F1板子上的EEPROM器件型號是24C02，在24C02的數據手冊3.6節中可查到，24C02的7位地址中，其中高4位是固定的0b1010，而低3位的地址取決于具體電路的設計，由芯片上的A2、A1、A0這3個引腳的實際電平決定。IIC總線器件是開漏引腳，因此外部要添加上拉電阻，保證總線空閑時為高電平。來看一下24C02的電路圖，如圖6-2所示。

從圖6-2可以看出來，A2、A1、A0都是接的GND，也就是說都是0，因此24C02的7位地址實際上是二進制的0b1010000，也就是0x50。

IIC通信分為標準模式100kbit/s、快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。因為所有的IIC器件都支持標準模式，但卻未必支持另外兩種速度，所以作為通用的IIC程序我們選擇100k這個速率來實現，也就是說實際程序產生的時序必須小于等于100k的時序參數，有特殊速度需求的器件再針對性寫高速通信程序。

IIC引腳屬于開漏并聯結構，并且STM32的GPIO端口引腳設置為開漏輸出時，可以直接從輸入數據寄存器獲取I/O電平狀態，因此將IIC引腳配置為開漏輸出模式。由于IIC總線空閑時默認為高，初始化時還需要設置引腳輸出高電平，不過設置引腳輸出高電平并不是在初始化之后，而應該放在初始化之前。這是因為STM32在上電復位時I/O口為高阻狀態，復位結束后，GPIO端口引腳默認為浮空輸入，由于上拉電阻的存在，IIC引腳被拉高；當程序執行到IIC初始化時又被配置為開漏輸出模式，由于GPIO端口輸出數據寄存器初始值默認全為0，初始化后I/O口輸出低電平，如果初始化之后再設置引腳輸出高電平，勢必會在I/O口上產生一個低電平的毛刺。如果在IIC引腳初始化之前先設置輸出數據寄存器相應位為高，初始化IIC引腳后，I/O口會直接輸出高電平，避免毛刺信號。

以下是IIC總線的驅動程序：

26.3 初識EEPROM

在實際的應用中，保存在單片機RAM中的數據，掉電后就丟失了，保存在單片機內部FLASH中的數據，又不能隨意改變。但是在某些場合，我們需要記錄下某些數據，而它們還需要時常改變或更新，并且掉電之后數據還不能丟失，比如我們的家用電表度數，電視機里邊的頻道記憶，一般都是使用EEPROM來保存數據，特點就是掉電后不丟失。Kingst-32F1板子上使用的這個器件是24C02，是一個容量大小是2Kbits，也就是256個字節的EEPROM。一般情況下，EEPROM擁有30萬到100萬次的擦除壽命，也就是它可以反復寫入30-100萬次，而讀取次數是無限的。

24C02是一個基于IIC通信協議的器件，因此從現在開始，IIC和EEPROM就要合體了。但要分清楚，IIC是一個通信協議，它擁有嚴密的通信時序邏輯要求，而EEPROM是掉電后數據不丟失的一種存儲器件的統稱，24C02就屬于EEPROM，只不過24C02采樣了IIC協議的接口與單片機相連而已，二者并沒有必然的聯系，EEPROM可以用其它接口，IIC也可以用在其它很多器件上。

46.4 EEPROM單字節讀寫操作時序

STM32F103系列單片機本身自帶硬件IIC模塊，可以類似USART通信那樣，通過配置實現數據的收發。本書對IIC協議的介紹針對的是絕大多數的應用場合，實際上IIC的配置過程比較復雜，比如要充分考慮沖突和仲裁等處理方式，但是那些處理方式在絕大多數場合用不到。STM32F103系列自帶的IIC協議模塊設計的過于復雜，對于實際應用來講實用性不強，因此實際應用IIC時，還是用IO口直接模擬協議。本書原則就是實際開發采用何種用法，就重點介紹何種用法，下面用實例來實現一下EEPROM讀寫的基本流程。

1、EEPROM寫數據流程

第一步，首先是IIC的起始信號，接著跟上首字節，也就是前邊講的IIC的器件地址，并且在讀寫方向上選擇“寫”操作。

第二步，發送數據的存儲地址。24C02一共256個字節的存儲空間，地址從0x00～0xFF，想把數據存儲在哪個位置此刻寫的就是哪個地址。

第三步，發送要存儲的數據，注意在寫數據的過程中，EEPROM每個字節會回應一個“應答位0”，來通知用戶寫EEPROM數據成功，如果沒有回應答位，說明寫入不成功。單字節寫時序如圖6-3所示。

圖6-3 IIC Byte Write時序圖

2、EEPROM讀數據流程

第一步，首先是IIC的起始信號，接著跟上首字節，也就是前邊講的IIC的器件地址，并且在讀寫方向上選擇“寫”操作。這個地方可能有讀者會詫異，明明是讀數據為何方向也要選“寫”呢？剛才說過了，24C02一共有256個地址，選擇寫操作是為了把所要讀的數據的存儲地址先寫進去，告訴EEPROM將要讀取哪個地址的數據。這就如同打電話，先撥總機號碼（EEPROM器件地址），而后還要繼續撥分機號碼（數據地址），而撥分機號碼這個動作，主機仍然是發送方，方向依然是“寫”。

第二步，發送要讀取的數據的地址，注意是地址而非存在EEPROM中的數據，通知EEPROM要哪個分機的信息。

第三步，重新發送IIC起始信號和器件地址，并且在方向位選擇“讀”操作。

這三步當中，每一個字節實際上都是在“寫”，所以每一個字節EEPROM都會回應一個“應答位0”。

第四步，讀取從器件發回的數據，讀一個字節，如果還想繼續讀下一個字節，就發送一個“應答位ACK(0)”，如果不想讀了，告訴EEPROM，不想要數據了，別再發數據了，那就發送一個“非應答位NAK(1)”。

每讀一個字節，地址會自動加1，那如果想繼續往下讀，給EEPROM一個ACK(0)低電平，那再繼續給SCL完整的時序，EEPROM會繼續往外送數據。如果不想讀了，要告訴EEPROM不要數據了，直接發送一個NAK(1)高電平。24C02讀數據時序如圖6-4所示。

圖6-4 IIC Read時序圖

利用EEPROM單字節讀寫功能設計了一個記錄開發板復位次數的小程序。由于EEPROM中的數據很容易被擦除或者改寫，為了保證記錄數據的準確性，需要對讀出的數據進行校驗。這里向大家介紹一種簡單又實用的校驗方法：將復位次數保存在EEPROM地址0x00中，并對復位次數按位取反后保存在地址0x01中。開發板每次復位后先去讀取地址0x00和0x01中的數據，對其進行異或運算，如果運算結果為0xFF，表明數據正確，將地址0x00中的數據加1后，重新寫入到EEPROM中，并通過數碼管顯示讀出的數據；否則記錄的數據被改寫，從0開始重新記錄復位次數。由于板載數碼管僅能顯示兩位數，記錄的最大次數為99，超過99重新開始記錄。具體代碼如下：

56.5 EEPROM多字節讀寫操作時序

讀取EEPROM很簡單，EEPROM根據時序直接把數據送出來，但是寫EEPROM卻沒有這么簡單了。給EEPROM發送數據后，先保存在EEPROM的緩存，EEPROM必須要把緩存中的數據搬移到“非易失”的區域，才能達到掉電不丟失的效果。而往非易失區域寫需要一定的時間，每種器件不完全一樣，ATMEL公司的24C02的這個寫入時間最長不超過5ms。在往非易失區域寫的過程，EEPROM是不會再響應用戶訪問的，不僅接收不到用戶的數據，即使用I^2^C標準的尋址模式去尋址，EEPROM都不會應答，就如同這個總線上沒有這個器件一樣。數據寫入非易失區域完畢后，EEPROM再次恢復正常，可以正常讀寫了。

在向EEPROM連續寫入多個字節的數據時，如果每寫一個字節都要等待幾ms的話，整體上的寫入效率就太低了。因此EEPROM的廠商就想了一個辦法，把EEPROM分頁管理。24C01、24C02這兩個型號是8個字節一個頁，24C04、24C08、24C16是16個字節一頁。Kingst-32F1開發板上用的型號是24C02，一共是256個字節，8個字節一頁，那么就一共有32頁。

分配好頁之后，如果在同一個頁內連續寫入幾個字節后，最后再發送停止位的時序。EEPROM檢測到這個停止位后，會一次性把這一頁的數據寫到非易失區域，就不需要寫一個字節檢測一次了，并且頁寫入的時間也不會超過5ms。如果寫入的數據跨頁了，寫完一頁之后要發送一個停止位，然后等待并且檢測EEPROM的空閑模式，一直等到把上一頁數據完全寫到非易失區域后，再進行下一頁的寫入，這樣就可以在很大程度上提高數據的寫入效率，頁寫時序如圖6-5所示。

圖6-5 EEPROM頁寫時序

本節利用EEPROM多字節讀寫功能設計了一個通過串口發送指令控制EEPROM讀寫數據的例程。該例程只需要下載一次程序，就能通過串口調試助手實現對EEPROM任意地址的讀寫操作，避免重復編程控制EEPROM讀寫數據的方式，具有很高是實用意義。與第五章串口實用例程類似，通過串口調試助手發送控制指令，單片機檢測到指令后做出相應動作。

EEPROM讀數據指令格式：“e2read 地址 字節長度”，其中地址范圍為0~255，e2read、地址、字節長度之間由空格隔開，比如從地址1開始讀取5字節數據：e2read 1 5。單片機收到指令后執行多字節讀操作，通過串口助手返回讀出的數據。

EEPROM寫數據指令格式：“e2write 地址 數據”，地址范圍為0~255，e2write、地址、數據之間同樣由空格隔開，比如從地址1開始寫入hello：e2write 1 hello。單片機收到指令后執行多字節寫操作，寫入成功后通過串口助手返回“e2write done.”

如果發送指令格式錯誤，返回“bad parameter.”，如果發送指令錯誤，將返回發送的指令。