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IIC总线协议
在硬件上，IIC总线是由时钟总线SCL和数据总线SDA两条线构成，其中SCL为时钟线，SDA为数据线，如图6-1所示。总线上可以同时连接多个器件，所有器件的SCL都连到一起，所有SDA都连到一起。 6-1 IIC总线时序图 起始信号：IIC通信的起始信号的定义是SCL为高电平期间，SDA由高电平变化到低电平产生的一个下降沿，表示一次通信过程的开始，如图6-2中的Start部分所示。 数据传输：IIC通信是高位在前，低位在后。IIC通信要求当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个位；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，因此要保证SDA的稳定，如图6-1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，应答位我们后边还要具体介绍。 停止信号：IIC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，表示一次通信过程的结束，如图6-1中的Stop部分所示。 |
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IIC寻址模式
上一节介绍的是IIC每一位信号的时序流程，而IIC通信在字节级的传输中，也有固定的时序要求。IIC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）。 Kingst-32F1板子上的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位是固定的0b1010，而低3位的地址取决于具体电路的设计，由芯片上的A2、A1、A0这3个引脚的实际电平决定。IIC总线器件是开漏引脚，因此外部要添加上拉电阻，保证总线空闲时为高电平。来看一下24C02的电路图，如图6-2所示。 从图6-2可以看出来，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。 IIC通信分为标准模式100kbit/s、快速模式400kbit/s和高速模式3.4Mbit/s。因为所有的IIC器件都支持标准模式，但却未必支持另外两种速度，所以作为通用的IIC程序我们选择100k这个速率来实现，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，有特殊速度需求的器件再针对性写高速通信程序。 IIC引脚属于开漏并联结构，并且STM32的GPIO端口引脚设置为开漏输出时，可以直接从输入数据寄存器获取I/O电平状态，因此将IIC引脚配置为开漏输出模式。由于IIC总线空闲时默认为高，初始化时还需要设置引脚输出高电平，不过设置引脚输出高电平并不是在初始化之后，而应该放在初始化之前。这是因为STM32在上电复位时I/O口为高阻状态，复位结束后，GPIO端口引脚默认为浮空输入，由于上拉电阻的存在，IIC引脚被拉高；当程序执行到IIC初始化时又被配置为开漏输出模式，由于GPIO端口输出数据寄存器初始值默认全为0，初始化后I/O口输出低电平，如果初始化之后再设置引脚输出高电平，势必会在I/O口上产生一个低电平的毛刺。如果在IIC引脚初始化之前先设置输出数据寄存器相应位为高，初始化IIC引脚后，I/O口会直接输出高电平，避免毛刺信号。 |
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初识EEPROM
在实际的应用中，保存在单片机RAM中的数据，掉电后就丢失了，保存在单片机内部FLASH中的数据，又不能随意改变。但是在某些场合，我们需要记录下某些数据，而它们还需要时常改变或更新，并且掉电之后数据还不能丢失，比如我们的家用电表度数，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。Kingst-32F1板子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100万次的擦除寿命，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IIC通信协议的器件，因此从现在开始，IIC和EEPROM就要合体了。但要分清楚，IIC是一个通信协议，它拥有严密的通信时序逻辑要求，而EEPROM是掉电后数据不丢失的一种存储器件的统称，24C02就属于EEPROM，只不过24C02采样了IIC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，IIC也可以用在其它很多器件上。 |
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EEPROM单字节读写操作时序
STM32F103系列单片机本身自带硬件IIC模块，可以类似USART通信那样，通过配置实现数据的收发。本书对IIC协议的介绍针对的是绝大多数的应用场合，实际上IIC的配置过程比较复杂，比如要充分考虑冲突和仲裁等处理方式，但是那些处理方式在绝大多数场合用不到。STM32F103系列自带的IIC协议模块设计的过于复杂，对于实际应用来讲实用性不强，因此实际应用IIC时，还是用IO口直接模拟协议。 |
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1、EEPROM写数据流程
第一步，首先是IIC的起始信号，接着跟上首字节，也就是前边讲的IIC的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。 第二步，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。 第三步，发送要存储的数据，注意在写数据的过程中，EEPROM每个字节会回应一个“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。单字节写时序如图6-3所示。 图6-3 IIC Byte Write时序图 2、EEPROM读数据流程 第一步，首先是IIC的起始信号，接着跟上首字节，也就是前边讲的IIC的器件地址，并且在读写方向上选择“写”操作。这个地方可能有读者会诧异，明明是读数据为何方向也要选“写”呢？刚才说过了，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将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”。 第二步，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。 第三步，重新发送IIC起始信号和器件地址，并且在方向位选择“读”操作。 这三步当中，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”。 第四步，读取从器件发回的数据，读一个字节，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，告诉EEPROM，不想要数据了，别再发数据了，那就发送一个“非应答位NAK(1)”。 每读一个字节，地址会自动加1，那如果想继续往下读，给EEPROM一个ACK(0)低电平，那再继续给SCL完整的时序，EEPROM会继续往外送数据。如果不想读了，要告诉EEPROM不要数据了，直接发送一个NAK(1)高电平。24C02读数据时序如图6-4所示。 图6-4 IIC Read时序图 利用EEPROM单字节读写功能设计了一个记录开发板复位次数的小程序。由于EEPROM中的数据很容易被擦除或者改写，为了保证记录数据的准确性，需要对读出的数据进行校验。这里向大家介绍一种简单又实用的校验方法：将复位次数保存在EEPROM地址0x00中，并对复位次数按位取反后保存在地址0x01中。开发板每次复位后先去读取地址0x00和0x01中的数据，对其进行异或运算，如果运算结果为0xFF，表明数据正确，将地址0x00中的数据加1后，重新写入到EEPROM中，并通过数码管显示读出的数据；否则记录的数据被改写，从0开始重新记录复位次数。由于板载数码管仅能显示两位数，记录的最大次数为99，超过99重新开始记录。具体代码如下： |
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EEPROM多字节读写操作时序
读取EEPROM很简单，EEPROM根据时序直接把数据送出来，但是写EEPROM却没有这么简单了。给EEPROM发送数据后，先保存在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的这个写入时间最长不超过5ms。在往非易失区域写的过程，EEPROM是不会再响应用户访问的，不仅接收不到用户的数据，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，可以正常读写了。 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，24C04、24C08、24C16是16个字节一页。Kingst-32F1开发板上用的型号是24C02，一共是256个字节，8个字节一页，那么就一共有32页。 分配好页之后，如果在同一个页内连续写入几个字节后，最后再发送停止位的时序。EEPROM检测到这个停止位后，会一次性把这一页的数据写到非易失区域，就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，页写时序如图6-5所示。 图6-5 EEPROM页写时序 本节利用EEPROM多字节读写功能设计了一个通过串口发送指令控制EEPROM读写数据的例程。该例程只需要下载一次程序，就能通过串口调试助手实现对EEPROM任意地址的读写操作，避免重复编程控制EEPROM读写数据的方式，具有很高是实用意义。与第五章串口实用例程类似，通过串口调试助手发送控制指令，单片机检测到指令后做出相应动作。 EEPROM读数据指令格式：“e2read 地址 字节长度”，其中地址范围为0~255，e2read、地址、字节长度之间由空格隔开，比如从地址1开始读取5字节数据：e2read 1 5。单片机收到指令后执行多字节读操作，通过串口助手返回读出的数据。 EEPROM写数据指令格式：“e2write 地址 数据”，地址范围为0~255，e2write、地址、数据之间同样由空格隔开，比如从地址1开始写入hello：e2write 1 hello。单片机收到指令后执行多字节写操作，写入成功后通过串口助手返回“e2write done.” 如果发送指令格式错误，返回“bad parameter.”，如果发送指令错误，将返回发送的指令。 |
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逻辑分析仪测试UART和IIC
在实际开发过程中，大多数情况下程序代码并不是一写出来就可以正常运行，通常需要查找问题，调试功能。在单片机内部运行的变量和寄存器等参数可以通过在线仿真的方法查看，而单片机外部引脚的运行就要使用示波器或逻辑分析仪来查看了。在分析数字信号以及标准协议信号方面，逻辑分析仪的分析功能比示波器更优一些，下面就采用Kingst LA5016逻辑分析仪，针对6.5节的程序，将UART和I2C信号进行抓取分析。 UART数据抓取和解析解码的界面如图6-6所示，从图上可以看出，单个脉冲T1到T2之间的时间差是104us，时间差的倒数就是波特率，也就是9600。当没有信号的时候，通道处于高电平，产生第1个低电平就是起始位，而后是8位数据位，最后是停止位，其中数据位的位置软件都加了白点。最终，软件根据协议设置选项将数据解析出来是0x31,0x32......。 图6-6 Kingst LA5016逻辑分析仪解析UART数据 当串口助手发送读数据指令，读到的数据不正确的时候，首先我们要判断一下是单片机发送错了，还是电脑接收错了，这个时候可以通过分析仪测量一下UART串口通信波形以及解析的数据来判断。如果分析仪抓到的都正确，那就说明发送正确，接收方出现问题。 如果分析仪抓取分析的数据，不是单片机想发送的数据，那说明发送错了。既然发送错了，要么是程序问题，要么是从EEPROM读取的数据错了。这个时候需要抓一下从EEPROM读到的数据。采集分析完从EEPROM读到的数据，如果数据正确，那问题可能就出在了读数据后转成UART发送给电脑的程序过程中；如果数据是错误的，那要么是存入EEPROM本来就是错误的，要么是存入正确，读取EEPROM的程序是错误的，如图6-7所示。 图6-7 Kingst LA5016逻辑分析仪解析IIC数据 在图6-7当中，其中通道0是SCL，通道1是SDA。图中可以看出读写时序图，并且可以将读写的数据解析出来，用来判断出从EEPROM读取的数据是否有错。 |
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初识SPI总线协议
SPI(Serial Peripheral Interface)是一种高速的、全双工、同步通信总线，常用于单片机和EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信。由于其简单实用，数据传输速率较高，被广泛应用于外设控制领域。标准的SPI接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）和从机选择线（CS，也被称作SSEL或NSS）。SPI总线允许一对一或一对多通信，无论哪种方式，通信线路中只允许有一个主机。一对多通信要求从机共用SCK、MISO、MOSI，通过片选CS（NSS）选择使能从机设备。从微观角度上看主机一次只能与一个从机通信，比如主机先与从机1通信，然后再与从机2通信，如此循环，在宏观角度上看就相当于一个主机与两个从机实现通信，如图6-8所示。 图6-8 SPI接口连接示意图 |
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SPI通信原理
SPI总线与前面讲的IIC总线类似，都属于同步通信，即通信双方时必须使用相同的时钟信号；都属于一主多从结构，即总线上只有一个主机，可以挂载多个从机。不同之处在于，IIC属于单工通信，同一时刻只能收或者发，而SPI可以全双工通信，同一时刻既能收又能发，因此SPI的通信速率远远超过IIC，可以达到几十Mbps。此外IIC通信可以由主从设备的任意一方发起，而SPI通信只能由主机发起，从机不能主动与主机通信，因为从机不产生同步时钟信号。 SPI通信本质上是一个串行移位过程。SPI主从设备构成一个环形总线结构，SPI通信的主机一般是单片机，首先主机拉低CS(NSS)信号使能片选，告诉从机开始通信，然后主机开始输出同步时钟信号SCK，主机的移位寄存器通过MOSI移出1位数据，从机的移位寄存器通过该线移入这1位数据；同时从机的移位寄存器又通过MISO线移出1位数据，主机的移位寄存器通过该线移入这1位数据，因此在1个时钟周期内，主从设备的双向移位寄存器通过MOSI和MISO数据线实现了1 bit数据的交换，即双方都发出并接收到1 bit数据。 |
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SPI通信模式
I2C总线只有一种通信模式，即当SCL在低电平的时候，向SDA输出数据，当SCL在高电平的时候，对SDA上的数据进行采样。与I2C不同的是，SPI总线有四种通信模式，要了解这四种模式，首先我们得学习以下两个名词。 CPOL: Clock Polarity，就是时钟的极性。时钟的极性是什么概念呢？通信的整个过程分为空闲时刻和通信时刻，如果CPOL=1，那么SCLK在数据发送之前和之后的空闲状态是高电平，如果CPOL=0，那么SCK烦人空闲状态就是低电平。 CPHA: Clock Phase，意思是时钟的相位，就是指数据采样发生在第几个时钟边沿， CPHA =0对应着第一个时钟边沿，CPHA =1对应着第二个时钟边沿。 主机和从机要交换数据，就牵涉到一个问题，即主机在什么时刻输出数据到MOSI上而从机在什么时刻采样这个数据，或者从机在什么时刻输出数据到MISO上而主机什么时刻采样这个数据。同步通信的一个特点就是所有数据的变化和采样都是伴随着时钟沿进行的，也就是说数据总是在时钟的边沿附近输出或被采样。而一个时钟周期必定包含了一个上升沿和一个下降沿，这是周期的定义所决定的，只是这两个沿的先后并无规定。又因为数据从产生的时刻到其稳定是需要一定时间的，那么，如果主机在上升沿输出数据到MOSI上，从机就只能在下降沿去采样这个数据了。反之如果一方在下降沿输出数据，那么另一方就必须在上升沿采样这个数据。 CPHA=0，就表示数据的采样是在一个时钟周期的第一个沿上，至于这个沿是上升沿还是下降沿，这要视CPOL的值而定，CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么数据的采样自然就是在第二个沿上了。 CPHA=1，就表示数据的采样是在一个时钟周期的第二个沿上，同样它是什么沿由CPOL决定。CPOL=1那就是上升沿，反之就是下降沿。 以CPOL=1/CPHA=1，高位在前为例，把时序图画出来给大家看一下，如图6-9所示。 图6-9 SPI通信时序图（一） 如图6-10所示，当数据未发送时以及发送完毕后，由于CPOL=1，因此SCK都是高电平。可以看出，在SCK第一个沿的时候，MOSI和MISO会发生变化，同时SCK第二个沿的时候，数据是稳定的，此刻采样数据是合适的，即一个时钟周期的后沿锁存并读取数据，即CPHA=1。注意最后最隐蔽的SSEL片选，这个引脚通常用来决定主机是和哪个从机进行通信。剩余的三种模式，直接把图画出来，简化起见把MOSI和MISO合在一起了，可以通过仔细对比加深对SPI通信的理解，SPI剩余三种模式时序如图6-8所示。 需要解释一下CPHA=0时的两种模式时序图，图中数据采样发生在数据输出之前，可能会存在疑问，主机和从机还未输出数据就进行采样？图中所示的数据输出指的是输出第二位数据，即图中所示bit 6 位的数据。那么被采样的数据位是什么时候输出的？其实早在SCK信号由空闲状态转变为有效状态之前，即在SCK的第一个时钟边沿还要早半个时钟周期时，SPI主机就已经开始输出数据了，但是SPI从机却是在片选SSEL置低后开始输出数据，总之SPI设备输出数据要早于SCK，这也是为什么SPI通信时要先使能片选。 图6-10 SPI通信时序图（二） |
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