AS32X601的I2C模块操作EEPROM详解

原创 于 2025-12-21 21:38:47 发布 · 385 阅读 · 8 ·
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#单片机 #stm32 #嵌入式硬件 #架构 #安全威胁分析 #安全性测试

国科安芯推出的AS32X601系列MCU芯片内置的I2C模块提供了符合工业标准的两线串行制接口，可用于MCU和外部I2C设备的通讯。I2C总线使用两条串行线：串行数据线SDA和串行时钟线SCL。 I2C接口模块实现了I2C协议的标准模式和快速模式，支持多主机I2C总线架构。其标准模式为100K，快速模式400K。而EEPROM，作为一种支持字节级单独擦写、数据掉电不丢失的存储器，其存储容量（从几字节到数百千字节）恰好满足了大量嵌入式应用对中小规模非易失性数据存储的需求。将EEPROM与并行地址/数据总线相连的传统方式会占用大量I/O口，在引脚资源紧张的微控制器（如众多8位、32位MCU）上显得笨重且不经济，因此，AS32X601系列开发板搭载了一块24C02 eeprom。本文旨在系统阐述I2C EEPROM的工作原理与核心操作流程。内容将涵盖I2C通信的基本框架，EEPROM的器件寻址方式，以及针对字节写入等关键流程

一、硬件设计

二、I2C时序

①Start开始信号、Stop停止信号：

这两个信号由主机产生，不属于数据域交互：

在SCL的高电平时，主机将SDA的电平由 高–>低是Start信号（下降沿）；

在SCL的高电平时，主机将SDA的电平由 低–>高是Stop信号（上升沿）；

②7位寻址

AS32X601的I2C只支持7位寻址模式，配置过程中从机地址需要左移1位才为实际地址。

③数据方向

0写/1读

④应答ACK、非应答NACK

在SCL的一个时钟周期内，从机在SCL的高电平时，将SDA的电平由高拉低(或者继续保持低电平状态) 则是ACK信号；

从机在SCL的高电平时，如果SDA的电平一直是 高电平 则是NACK信号；

三、时钟

I2C0、I2C1时钟来自APB0，I2C2、I2C3时钟来自ABP1。具体配置可见I2C_CTLR寄存器。

四、I2C初始化

1.配置I2Cx需要的GPIO为复用功能。

2.通过配置I2C_INITSTRUCT初始化I2Cx，包括时钟分频，从机地址，ACK，高低电平时间等

3.按需求配置中断，并配置IRQ_HANDLER；

4.调用收发接口，并处理数据

五、如何操作EEPROM

5.1按字节写入函数

FlagStatus I2C_MEEPROMWriteByte(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint16_t data, uint32_t timeout)

{

unsigned int num;

/*等待总线释放*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStart(I2Cx);

/*等待启动信号完成*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))

{

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成地址并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == RESET)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成数据并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, data);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成数据并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return 1;

}

代码执行流程详细解释如下：

等待总线空闲：函数首先进入一个循环，反复检查I2C总线是否处于空闲（I2C_BUS_IDLE）状态。如果总线被占用（忙状态），它会尝试通过调用I2C_StartClear和I2C_GenerateStop来清除可能的异常状态并发送停止信号，试图释放总线。每次循环都会递减超时计数器timeout并延迟1毫秒。如果timeout减到0，函数会返回RESET。这个步骤确保了本次传输开始时总线是可用的。

发起起始条件：确认总线空闲后，函数调用I2C_GenerateStart在I2C总线上产生一个起始条件（Start Condition），这标志着一次传输序列的开始。

等待起始条件完成：紧接着，函数进入另一个循环，等待起始条件成功发出的状态（MASTER_START_READY）。同样，这里也有超时检查和1ms延迟，防止程序死锁。超时则返回失败。

发送从机地址（写模式）：起始条件成功后，函数调用I2C_Send7bitAddress，将参数addr（EEPROM的7位设备地址）和写操作位（I2C_WRITE，通常值为0）组合成一个8位字节发送出去。随后清除相关状态和中断标志。

等待从机地址应答：函数循环等待从设备（EEPROM）对收到地址的应答信号（MSEND_WADDR_ACK）。如果EEPROM存在于总线上并识别出自己的地址，它会拉低SDA线作为应答（ACK）。函数检测到这个状态才能继续。此处有一个代码瑕疵：超时判断写成了(timeout--) == RESET，虽然RESET很可能定义为0，但不如其他地方的== 0直观统一。超时或失败会发送停止条件并返回失败。

发送EEPROM内部存储地址（存在严重错误）：地址应答后，函数准备发送要写入的EEPROM内部单元地址reg。这是一个关键错误。对于16位地址的EEPROM（如reg是uint16_t），需要发送两个字节：先发送高8位，再发送低8位。但代码中I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0))的reg >> 0等于reg本身，所以它只发送了reg的低8位，完全遗漏了高8位。这会导致写入到错误的EEPROM位置。

等待内部地址字节应答：发送（不完整的）地址字节后，循环等待EEPROM对此数据字节的应答（MSEND_DATA_ACK）。有超时处理。

发送要写入的数据：收到地址字节应答后，调用I2C_SendData(I2Cx, data)发送数据。这里有一个潜在问题：参数data是uint16_t类型，但函数被命名为WriteByte，且I2C_SendData通常发送一个字节。这里发生了隐式截断，只有data的低8位被发送出去。函数意图和参数类型不匹配。

等待数据字节应答：再次循环等待EEPROM对收到数据字节的应答。有超时处理。

结束传输：数据成功发送并得到应答后，函数调用I2C_GenerateStop产生停止条件（Stop Condition），结束本次I2C通信。然后清除中断标志。

5.2读函数

FlagStatus I2C_MEEPROMRead(I2C_TypeDef* I2Cx, uint8_t addr, uint16_t reg, uint8_t* pData, uint32_t Size, uint32_t timeout)

{

uint32_t num = 0x00;

/*等待总线释放*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, I2C_BUS_IDLE))

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

if ((timeout--) == 0)

{

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);

I2C_GenerateStart(I2Cx);

/*等待启动信号完成*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_READY))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_WRITE);

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成地址并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_WADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 8));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成数据并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return 0;

}

delay_ms(1);

}

I2C_SendData(I2Cx, (uint8_t)(reg >> 0));

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成数据并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_DATA_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_GenerateStart(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成数据并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MASTER_START_REPEAT))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

I2C_Send7bitAddress(I2Cx, addr, I2C_READ);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/*等待从机接收完成地址并发送ack*/

while (!I2C_CheckStatus(I2Cx, MSEND_RADDR_ACK))

{

if ((timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

for (num = 0; num < Size; num++)

{

if (num == (Size - 1))

{

/* IIC sends NACK */

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_NACK);

}

else

{

I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK);

}

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

/* Wait for the slave to send the completed data, and the host will send an ack */

while (!(I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_ACK) || I2C_CheckStatus(I2Cx, MREAD_DATA_NACK)))

{

if ((Timeout--) == 0)

{

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return RESET;

}

delay_ms(1);

}

*pData++ = I2C_ReceiveData(I2Cx);

}

I2C_StartClear(I2Cx);

I2C_GenerateStop(I2Cx);

I2C_ClearITPendingBit(I2Cx);

return SET;

}

代码执行流程详细解释如下：

函数参数说明：

I2Cx: I2C外设指针

addr: EEPROM设备地址（7位）

reg: EEPROM内部起始地址（16位）

pData: 指向接收数据缓冲区的指针

Size: 要读取的字节数

timeout: 超时计数值（注意：函数内部有一处拼写错误写成了Timeout）

代码执行流程详细解释：

等待总线空闲：函数首先检查I2C总线是否空闲（I2C_BUS_IDLE）。如果总线忙，执行清理操作（I2C_StartClear）并发送停止信号（I2C_GenerateStop），尝试释放总线。每次循环都递减超时计数器并延迟1ms，超时则返回RESET。

配置应答：调用I2C_AcknowledgeConfig(I2Cx, I2C_IICAA_ACK)使能主设备的数据应答功能，这是为后续接收数据做准备。

发起起始条件：生成起始条件（I2C_GenerateStart）开始传输，并等待起始条件成功（MASTER_START_READY）。超时则清理总线并返回失败。

发送设备地址（写模式）：发送EEPROM的7位地址和写方向位（I2C_WRITE），因为EEPROM读取操作需要先发送要读取的内部地址，这相当于一个"伪写"操作。清除相关状态后，等待EEPROM应答地址（MSEND_WADDR_ACK）。

发送重复起始条件：为了从写操作切换到读操作，需要发送一个重复起始条件（Repeated Start）。调用I2C_GenerateStart，然后等待重复起始条件完成（MASTER_START_REPEAT）。这是I2C协议中在不释放总线的情况下改变数据传输方向的标准做法。

发送设备地址（读模式）：再次发送EEPROM的7位地址，但这次带读方向位（I2C_READ）。等待EEPROM对此读地址的应答（MSEND_RADDR_ACK）。

循环接收数据：这是函数的核心部分，循环接收Size个字节的数据：

在接收倒数第二个字节时（num == (Size - 1)），将主设备的应答配置为不应答（I2C_IICAA_NACK），这是I2C协议规定的：主设备在接收最后一个字节前发送不应答信号，通知从设备停止发送。

对于其他字节，使能应答（I2C_IICAA_ACK）。

等待从设备发送数据完成的状态（MREAD_DATA_ACK或MREAD_DATA_NACK）。这里使用了逻辑或||，表示等待任意一种接收完成状态。

从I2C数据寄存器读取数据（I2C_ReceiveData(I2Cx)）并存储到pData指向的缓冲区，然后指针递增。

结束传输：所有数据接收完成后，生成停止条件（I2C_GenerateStop）结束本次I2C通信，清除相关状态。

六、下板验证

我们操作I2C写入0~0x3f数据，结果如下：

操作波形如图：

读取完最后一个数据后发送NACK：

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