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AT24C02存储器使用I2C总线：电路规范、时序结构和数据帧详解

存储器简介

RAM

  • SRAM（静态RAM） ，内部的存储结构是锁存器，是一个D触发器，用电路来存储数据，是所有存储器中最快的一个，一般用于电脑CPU高速缓存，单片机里面也是SRAM，比如定义的变量就存储在SRAM里面，特殊功能寄存器也是一种SRAM。它的容量较小成本较高。

  • DRAM（动态RAM） 用电容来存储数据，我们知道电容充完电后显示高电平，放完电后显示低电平。但是因为这个电容它集成度特别高所以容值特别小，因为电容存在漏电现象，所以在存储数据后很快就会漏电漏完了。所以我们要给它配一个扫描电路，每隔一段时间就读取它的数据，并给它重新充电，每隔一段时间刷新一下，补上那些因为漏电现象所丢失的电能，所以它叫动态RAM，因为它要动态刷新。但是DRAM相比SRAM成本更低，容量更大，包括电脑里面的内存条和手机里面的运行内存都是动态RAM。

    • ROM

  • MaskROM（掩膜ROM） 最早的ROM，在刚开始做出来后仅仅依靠电路来存储数据，芯片成品无法更改，可以保证掉电不丢失，ROM得名于此，即read only memory；

  • PROM（可编程ROM） 相对于上一代而言，PROM是可写入的，缺点是只能写入一次，PROM生产出来以后，第一次写好，以后就永远是这个数据从，无法再进行更改；

  • EPROM（可擦除可编程ROM） 是PROM的升级版，生产出来后我们也可以对它进行编程，同时也可以再编程结束后将它清除成编程前的状态，但是需要紫外线将其照射三十分钟才可将其擦除。同时“ROM”这个词已经成为了一个广义的概念，掉电不丢失的非易失性存储器都概括为ROM；

  • E2PROM(电可擦除可编程ROM) 本节的AT24C02就是一种E2PROM，在5V的低压电的情况下，几毫秒就可将其擦除，但应用不是特别广泛；

  • Flash（闪存） 功能十分强大，应用十分广泛，包括单片机的程序存储器（51单片机有8k的flash）、U盘、内存卡、电脑的固态硬盘和手机里用来存储的介质全部都采用的Flash；

  • 硬盘（软盘、光盘等） 像是电脑里的机械硬盘，它是靠磁介质来存储信息的，软盘是早期电脑刚出来时候的产品，容量也很小，现在都被淘汰了，现在的电脑都是从C盘开始的，在早期的时候，A盘和B盘就是留给软盘的，光盘是用光信号存储的。

    • AT24C02简介

  • AT24C02是一种可以实现掉电不丢失的存储器，可用于保存单片机运行时想要永久保存的数据信息

  • 存储介质：E2PROM

  • 通讯接口：I2C总线

  • 容量：256字节

    • 引脚及应用电路

    内部结构框图

  • X DEC-译码器，左边是地址线，输入译码器又回来

  • SERIAL MUX-串行数据选择端，借助Y DEC（Y译码器）通过D(out)/ACK LOGIC一位一位的输出出去；

  • DATA WORD ADDR/COUNTER-用来设置地址，内部设有存储地址的寄存器，每写入或读出一个地址，这个寄存器会自动加1，如果读出不指定地址的话，它默认把寄存器的数据拿出来。

    • I2C总线（重点难点）

    I2C总线简介

  • I2C总线（Inter IC BUS）是由Philips公司开发的一种通用数据总线

  • 两根通信线：SCL（Serial Clock串行时钟线）、SDA（Serial Data串行数据线）

  • 同步（因为它有单独的时钟线）、半双工（SDA只有一根线，并且还要来回通信），带数据应答

  • 通用的I2C总线，可以使各种设备的通信标准统一，对于厂家来说，使用成熟的方案可以缩短芯片设计周期、提高稳定性，对于应用者来说，使用通用的通信协议可以避免学习各种各样的自定义协议，降低了学习和应用的难度。

    • I2C电路规范

  • 所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起

  • 设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式

  • SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7KΩ左右

  • 开漏输出和上拉电阻的共同作用实现了“线与”的功能，此设计主要是为了解决多机通信互相干扰的问题

    • I2C时序结构

  • 起始条件：SCL高电平期间，SDA从高电平切换到低电平

  • 终止条件：SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平

  • 发送一个字节：SCL低电平期间，主机将数据位依次放到SDA线上（高位在前），然后拉高SCL，主机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可发送一个字节。

  • 接收一个字节：SCL低电平期间，从机将数据位依次放到SDA总线上（高位在前），然后拉高SCL，从机将在SCL高电平期间读取数据位，所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化，依次循环上述过程8次，即可接收一个字节（主机在接收之前，需要释放SDA）。

    • 注：把SDA置1，相当于释放，释放的时候，主机是完全不干预通讯线的，换言之就是主机将线的控制权交给了从机，紫色代表从机控制着总线。

  • 发送应答：在接收完一个字节之后，主机在下一个时钟发送一位数据，数据0表示应答，数据1表示非应答

  • 接收应答：在发送完一个字节之后，主机在下一个时钟接收一位数据，判断从机是否应答，数据0表示应答，数据1表示非应答（主机在接收之前，需要释放SDA）

    • I2C数据帧

  • 发送一帧数据

    • 步骤：

    1. 首先发送一个Start

    1. S:SLAVE ADDRESS+W——发送一个字节数据（I2C规定，在Start之后第一个字节数据一定要发从机地址+读写位，前四位——A6、A5、A4、A3——是固定端1010）

    1. 每发送一个字节之后都要跟一个acceptance acknowledge（接收应答），从机应该给我应答（给我发0）

    1. S：BYTE 1 ——接着就可以发送第一个字节数据了

    1. ………

    1. S：BYTE n

    1. RA:0

    1. P

  • 完成任务：向谁收什么

  • 接收一帧数据

    • 步骤：

    1. 首先发送一个Start

    1. S:SLAVE ADDRESS+R——发送一个字节数据（一旦我们发送了READ这个字节，我们就默认代表我们已经把总线的控制权交给从机了）

    1. RA:0

    1. R：BYTE 1 ——接着就可以接收第一个字节数据了

    1. SA:0（接收应答）

    1. ………

    1. R:BYTE n

    1. SA:1（一般发分应答）

    1. P

  • 完成任务：向谁收什么

  • 先发送再接收数据帧（复合格式）

    • *发送一帧数据（去掉STOP）和接收一帧数据的拼接

  • 向谁收指定的什么

    • AT24C02数据帧

  • 字节写：在WORD ADDRESS处写入数据DATA

  • 随机读：读出在WORD ADDRESS处的数据DATA

  • AT24C02的固定地址为1010，可配置地址本开发板上为000。所以SLAVE ADDRESS+W为0xA0，SLAVE ADDRESS+R为0xA1。

  • 字节写：在“字地址”处写入“数据”

  • 随机读：读出在“字地址”处的“数据”

    • 程序代码

    作者：故山月白

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