AT24Cxx系列EEPROM存储器的驱动设计与实现
存储技术
描述
在我们的应用开发过程中，经常会使用到外部的EEPROM外部存储器来保存一些参数和配置数据等。而比较常用的就是AT24Cxx系列产品，这一节我们来开发用于操作AT24Cxx系列产品的驱动。
1 、功能概述
AT24Cxx系列EEPROM包括从1Kbit到2Mbit的各种容量。AT24Cxx系列产品采用I2C总线数据传送协议。尽管容量跨度很大，但它们都拥有相同的封装和引脚排布，具体的引脚分配如下：
由于A0、A1和A2可以组成000~111八种情况，即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个器件连接到同一条总线上，通过不同的配置进行器件的选择。
对于AT24Cxx系列EEPROM不同的容量对地址的分配有较大差异，这涉及到设备地址和寄存器地址。从1K容量到2M容量寄存器地址分别采用7到18位来表示。16K及以下容量的EEPROM采用一个字节的寄存器地址配合设备地址段实现7到11位的寄存器地址寻址。而32k及以上的EEPROM采用两个字节的寄存器地址配合设备地址段实现12到18位的寄存器地址寻址。具体的地址分配如下：
从上表我们很容易明白，设备地址的低3位的定义决定了在同一条I2C总线上，最多可以挂载多少个AT24Cxx设备。有3位用于设备地址则最多可挂载8个设备；有2位用于设备地址则最多可挂载4个设备；有1位用于设备地址则最多可挂载2个设备；有0位用于设备地址则最多可挂载1个设备。需要注意的是，不同定义的位的设备混用于同一总线时，相同的定义位必须一样，否则用作寄存器地址的位可能让总线上的总线无法识别。
在一些AT24Cxx系列EEPROM型号中，带有序列号的专用存储单元。这些存储单元不占用存储器的存储单元。序列号为128位，读取序列号的设备地址以0xB0开头，以区别于EEPROM存储区域的读取。
在一些AT24Cxx系列EEPROM型号中，除了带有序列号的专用存储单元外，还有带有48位或者64位的MAC地址，固定在专用的存储单元。这些单元不占用存储器的存储单元。读取序列号和读取MAC地址采用同样的设备地址，均以0xB0开头。有一些型号该区域并未用于MAC定制可用于用户操作。
需要注意的是有些型号的AT24Cxx系列EEPROM存储器的设备地址是固化的，需通过型号的后缀标识来识别。
2 、驱动设计与实现
我们已经了解了AT24Cxx存储器的基本功能及读写方式，接下来我们将开发操作AT24Cxx系列EEPROM存储器的驱动程序。
2.1 、对象定义
在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要AT24Cxx系列EEPROM存储器就需要先定义AT24Cxx系列EEPROM存储器的对象。
2.1.1 、对象的抽象
我们要得到AT24Cxx系列EEPROM存储器对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含两方面的特性：属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下AT24Cxx系列EEPROM存储器的对象。
先来考虑属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑AT24Cxx系列EEPROM存储器对象属性。首先AT24Cxx系列EEPROM存储器采用的是I2C接口，对于每一个I2C接口元件都有一个设备地址用于区别总线上的设备，所以我们将I2C设备地址作为对象的属性用以区别总线设备。AT24Cxx系列EEPROM存储器存在多个型号对应不同的容量和特性，所以我们将其型号设置为对象的属性以区别对象的类型。前面我们也说过，不同容量的AT24Cxx系列EEPROM存储器由于寻址空间不同，所以寄存器地址长度也是不同的，所以我们将其地址长度作为属性以区分处理。
接着我们还需要考虑AT24Cxx系列EEPROM存储器对象的操作问题。我们需要对AT24Cxx系列EEPROM存储器进行数据读写操作，无论读写其实都依赖于对I2C接口的操作，而这些操作基本都会依赖于具体的硬件平台，所以我们将读写操作作为对象的操作。
根据上述我们对AT24Cxx系列EEPROM存储器的分析，我们可以定义AT24Cxx系列EEPROM存储器的对象类型如下：
1 typedef struct At24cObject {
2 uint8_t devAddress; //设备地址
3 At24cModeType mode; //设备类型
4 At24cMemAddLengthType memAddLength; //寄存器地址长度
5 void (*Read)(struct At24cObject *at,uint16_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize); //读数据操作指针
6 void (*Write)(struct At24cObject *at,uint16_t regAddress,uint8_t *wData,uint16_t wSize); //写数据操作指针
7 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //毫秒延时操作指针
8 }At24cObjectType;
2.1.2 、对象初始化
我们知道，一个对象仅作声明是不能使用的，我们需要先对其进行初始化，所以这里我们来考虑AT24Cxx系列EEPROM存储器对象的初始化函数。一般来说，初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理；二是为对象的属性赋初值；三是对对象作必要的初始化配置。据此我们设计AT24Cxx系列EEPROM存储器对象的初始化函数如下：
1 /* 初始化AT24CXX对象 */
2 void At24cxxInitialization(At24cObjectType *at, //AT24CXX对象实体
3 uint8_t devAddress, //AT24CXX设备地址
4 At24cModeType mode, //AT24CXX对象类型
5 At24cMemAddLengthType length, //寄存器地址长度
6 At24cRead read, //读AT24CXX对象操作指针
7 At24cWrite write, //写AT24CXX对象操作指针
8 At24cDelayms delayms //延时操作指针
9 )
10 {
11 if((at==NULL)||(read==NULL)||(write==NULL)||(delayms==NULL))
12 {
13 return;
14 }
15
16 if((devAddress&0xF0)==0xA0)
17 {
18 at->devAddress=devAddress;
19 }
20 else
21 {
22 at->devAddress=0x00;
23 }
24
25 at->mode=mode;
26 at->memAddLength=length;
27
28 at->Read=read;
29 at->Write=write;
30 at->Delayms=delayms;
31 }
2.2 、对象操作
我们已经完成了AT24Cxx系列EEPROM存储器对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息，接下来我们还要实现面向AT24Cxx系列EEPROM存储器的各类操作。
2.2.1 、写单个字节
AT24Cxx系列EEPROM存储器支持单字节写数据，收到正确的设备地址和字地址字节后，EEPROM将发送一个确认。然后设备将准备接收8位数据字。在接收到8位数据字之后，EEPROM将返回一个ACK。然后，寻址设备(如总线主机)必须使用停止条件终止写操作。此时，EEPROM将进入一个内部自动定时的写周期，这个写周期将在一定时间内完成，而数据字将被编程到非易失性EEPROM中。在这个写周期中，所有的输入都是禁用的，EEPROM在写完成之前不会响应。
如果AT24Cxx对象是一个使用7位到11位地址表示寄存器地址的话，其数据格式如下图所示：
如果AT24Cxx对象是一个使用12位到18位地址表示寄存器地址的话，其数据格式如下图所示：
根据上述时序图，我们可以编写AT24Cxx系列EEPROM存储器写单个字节数据程序如下：
1 /*向AT24CXX写入单个字节*/
2 void WriteByteToAT24CXX(At24cObjectType *at,uint32_t regAddress,uint8_t data)
3 {
4 uint8_t temp;
5 uint16_t regAdd;
6
7 if(at->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
8 {
9 regAdd=(uint16_t)(regAddress&0xFF);
10 temp=(uint8_t)(regAddress>>8);
11 }
12 else
13 {
14 regAdd=(uint16_t)regAddress;
15 temp=(uint8_t)(regAddress>>16);
16 }
17 temp=(temp&(~(devAddMask[at->mode]>>1)))<<1;
18 at->devAddress=(at->devAddress & devAddMask[at->mode])|temp;
19
20 at->Write(at,regAdd,&data,1);
21 }
2.2.2 、写多个字节
AT24Cxx系列EEPROM存储器支持多字节的写操作，但对于AT24Cxx对象来说最多只支持写到发送地址所在的页尾，所以资料中也称其为页写。而对于不同型号的AT24Cxx系列EEPROM存储器每页所包含的字节数是不一样的，从8个字节到256个字节不等，我们需要注意写入的字节数。
整页写的初始化方式与单字节写的初始化方式相同，但是总线主机在第一个数据字被锁定后不会发送停止条件。相反，在EEPROM承认接收到第一个数据字之后，总线主机可以传输最多到所在页结尾的数据字。EEPROM将在接收到每个数据字后返回一个ACK。一旦所有要写的数据都被发送到设备，总线主机必须发出一个停止条件此时内部的自计时写周期将开始。字地址的下四位在接收到每个数据字后进行内部递增，高阶位地址位元不会增加。整页写操作仅限于在单个物理页中写入字节，而不管实际写入的字节数。当增加的字地址到达页面边界时，地址计数器将滚动到同一页面的开头。这是必须要注意的，一旦继续写数据可能会将页面中先前加载的数据无意中更改。
如果AT24Cxx对象是一个使用7位到11位地址表示寄存器地址的话，其写多个字节的数据格式如下图所示：
如果AT24Cxx对象是一个使用12位到18位地址表示寄存器地址的话，其写多个字节的数据格式如下图所示：
根据上述时序图，我们可以编写AT24Cxx系列EEPROM存储器写多个字节数据程序如下：
1 /*向AT24CXX写入多个字节，从指定地址最多到所在页的结尾*/
2 void WriteBytesToAT24CXX(At24cObjectType *at,uint32_t regAddress,uint8_t *wData,uint16_t wSize)
3 {
4 uint16_t regAdd;
5 uint8_t size;
6 uint8_t temp;
7
8 if(at->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
9 {
10 regAdd=(uint16_t)(regAddress&0xFF);
11 temp=(uint8_t)(regAddress>>8);
12 }
13 else
14 {
15 regAdd=(uint16_t)regAddress;
16 temp=(uint8_t)(regAddress>>16);
17 }
18 temp=(temp&(~(devAddMask[at->mode]>>1)))<<1;
19 at->devAddress=(at->devAddress & devAddMask[at->mode])|temp;
20
21 if((wSize<=pageBytes[at->mode])&&(wSize<=(pageBytes[at->mode]-(regAddress®AddMask[at->mode]))))
22 {
23 size=wSize;
24 }
25 else
26 {
27 size=pageBytes[at->mode]-(regAddress®AddMask[at->mode]);
28 }
29
30 at->Write(at,regAdd,wData,size);
31 }
2.2.3 、读单个字节
AT24Cxx系列EEPROM存储器支持单字节的读操作。这一方式其实有两种模式，读当前位置和读随机位置。其实读当前位置是读随机位置特例，我们考虑一般性则只考虑随机读取就可以了。随机读的开始方式与字节写操作加载新数据字地址的方式相同。这就是所谓的“伪写”序列；但是，必须省略数据字节和字节写的停止条件，以防止该部分进入内部写循环。一旦设备地址和字地址被锁定并被EEPROM确认，总线主机必须生成另一个启动条件。总线主机现在通过发送一个启动条件来初始化一个读取的当前地址，接着是一个有效的设备地址字节，其R/W位设置为逻辑“1”。之后EEPROM将对设备地址进行ACK处理，并在SDA线路上连续地输出数据字。如果总线主机在第9个时钟周期内没有响应ACK，则所有类型的读操作都将终止。在NACK响应之后，主进程可以发送一个停止条件来完成协议。
如果AT24Cxx对象是一个使用7位到11位地址表示寄存器地址的话，其读单个字节的数据格式如下图所示：
如果AT24Cxx对象是一个使用12位到18位地址表示寄存器地址的话，其读单个字节的数据格式如下图所示：
根据上述时序图，我们可以编写AT24Cxx系列EEPROM存储器随机读取一个字节数据程序如下：
1 /*从AT24CXX读取单个字节,从随机地址读取*/
2 uint8_t ReadByteFromAT24CXX(At24cObjectType *at,uint32_t regAddress)
3 {
4 uint8_t rData;
5 uint16_t regAdd;
6 uint8_t temp;
7
8 if(at->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
9 {
10 regAdd=(uint16_t)(regAddress&0xFF);
11 temp=(uint8_t)(regAddress>>8);
12 }
13 else
14 {
15 regAdd=(uint16_t)regAddress;
16 temp=(uint8_t)(regAddress>>16);
17 }
18 temp=(temp&(~(devAddMask[at->mode]>>1)))<<1;
19 at->devAddress=(at->devAddress & devAddMask[at->mode])|temp;
20
21 at->Read(at,regAdd,&rData,1);
22
23 return rData;
24 }
2.2.4 、读多个字节
AT24Cxx系列EEPROM存储器支持多字节的读操作，类似于单字节读取，可以从当前位置开始读也可以从指定地址开始读。多字节读取也称为顺序读取由当前地址读取或随机读取启动。总线主接收到一个数据字后，它以ACK应答。只要EEPROM接收到ACK，它就会继续增加字地址，并连续地计时输出连续的数据字。当达到最大内存地址时，数据字地址将滚动，顺序读取将从内存数组的开头开始。如果总线主机在第9个时钟周期内没有响应ACK，则所有类型的读操作都将终止。在NACK响应之后，主进程可以发送一个停止条件来完成协议。
如果AT24Cxx对象是一个使用7位到11位地址表示寄存器地址的话，其读多个字节的数据格式如下图所示：
如果AT24Cxx对象是一个使用12位到18位地址表示寄存器地址的话，其读多个字节的数据格式如下图所示：
根据上述时序图，我们可以编写AT24Cxx系列EEPROM存储器顺序读取多个字节数据程序如下：
1 /*从AT24CXX读取多个字节，从指定地址最多到所在页的结尾*/
2 void ReadBytesFromAT24CXX(At24cObjectType *at,uint32_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
3 {
4 uint16_t regAdd;
5 uint16_t size;
6 uint8_t temp;
7
8 if(at->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
9 {
10 regAdd=(uint16_t)(regAddress&0xFF);
11 temp=(uint8_t)(regAddress>>8);
12 }
13 else
14 {
15 regAdd=(uint16_t)regAddress;
16 temp=(uint8_t)(regAddress>>16);
17 }
18 temp=(temp&(~(devAddMask[at->mode]>>1)))<<1;
19 at->devAddress=(at->devAddress & devAddMask[at->mode])|temp;
20
21 if((rSize<=pageBytes[at->mode])&&(rSize<=(pageBytes[at->mode]-(regAddress®AddMask[at->mode]))))
22 {
23 size=rSize;
24 }
25 else
26 {
27 size=pageBytes[at->mode]-(regAddress®AddMask[at->mode]);
28 }
29
30 at->Read(at,regAdd,rData,size);
31 }
3 、驱动的使用
在上一节我们设计并实现了AT24Cxx系列EEPROM存储器的驱动程序，而这一节我们将设计一个简单的应用来验证这一驱动程序。
3.1 、声明并初始化对象
使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象，所以我们先要使用前面定义的AT24Cxx系列EEPROM存储器对象类型声明一个AT24Cxx系列EEPROM存储器对象变量，具体操作格式如下：
At24cObjectType at24c;
声明了这个对象变量并不能立即使用，我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下：
At24cObjectType *at，AT24CXX对象实体
uint8_t devAddress，AT24CXX设备地址
At24cModeType mode，AT24CXX对象类型
At24cMemAddLengthType length，寄存器地址长度
At24cRead read，读AT24CXX对象操作指针
At24cWrite write，写AT24CXX对象操作指针
At24cDelayms delayms，延时操作指针
对于这些参数，对象变量我们已经定义了。对象类型与寄存器地址长度为枚举，根据实际情况选择就好了。设备地址根据我们的实际使用情况设置就可以了。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：
1 /* 定义读数据操作函数指针类型 */
2 typedef void (*At24cRead)(struct At24cObject *at,uint16_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
3
4 /* 定义写数据操作函数指针类型 */
5 typedef void (*At24cWrite)(struct At24cObject *at,uint16_t regAddress,uint8_t *wData,uint16_t wSize);
6
7 /* 定义延时操作函数指针类型 */
8 typedef void (*At24cDelayms)(volatile uint32_t nTime);
对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：
1 /*读AT24C寄存器值*/
2 static void ReadDataFromAT24C(At24cObjectType *at24c,uint16_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
3 {
4 uint16_t cSize;
5 uint8_t cmd[2];
6
7 if(at24c->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
8 {
9 cSize=1;
10 cmd[0]=(uint8_t)regAddress;
11 }
12 else
13 {
14 cSize=2;
15 cmd[0]=(uint8_t)(regAddress>>8);
16 cmd[1]=(uint8_t)regAddress;
17 }
18
19 HAL_I2C_Master_Transmit(&at24chi2c,at24c->devAddress,cmd,cSize,1000);
20
21 HAL_I2C_Master_Receive(&at24chi2c,at24c->devAddress+1,rData, rSize, 1000);
22 }
23
24 /*写AT24C寄存器值*/
25 static void WriteDataToAT24C(At24cObjectType *at24c,uint16_t regAddress,uint8_t *wData,uint16_t wSize)
26 {
27 uint8_t tData[wSize+2];
28 uint16_t tSize;
29
30 if(at24c->memAddLength==AT24C8BitMemAdd)
31 {
32 tSize=wSize+1;
33 tData[0]=(uint8_t)regAddress;
34 }
35 else
36 {
37 tSize=wSize+2;
38 tData[0]=(uint8_t)(regAddress>>8);
39 tData[1]=(uint8_t)regAddress;
40 }
41
42 for(int i=0;i43 {
44 tData[i+2]=wData[i];
45 }
46
47 HAL_I2C_Master_Transmit(&at24chi2c,at24c->devAddress,wData,wSize,1000);
48 }
对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：
1 At24cxxInitialization(&at24c, //AT24CXX对象实体
2 0xAE, //AT24CXX设备地址
3 AT24C01C, //AT24CXX对象类型
4 AT24C8BitMemAdd, //寄存器地址长度
5 ReadDataFromAT24C, //读AT24CXX对象操作指针
6 WriteDataToAT24C, //写AT24CXX对象操作指针
7 HAL_Delay //延时操作指针
8 );
3.2 、基于对象进行操作
我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值，接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。
1 /*AT24XXX数据操作*/
2 void AT24CReadWriteData(void)
3 {
4 uint16_t regAddress=0x02;
5 uint8_t readByte;
6 uint8_t writeByte=0x0A;
7 uint8_t rData[2];
8 uint16_t rSize=2;
9 uint8_t wData[]={0x5A,0xA5};
10 uint16_t wSize=2;
11
12 /*从AT24CXX读取单个字节,从随机地址读取*/
13 readByte=ReadByteFromAT24CXX(&at24c,regAddress);
14
15 /*向AT24CXX写入单个字节*/
16 WriteByteToAT24CXX(&at24c,regAddress,writeByte);
17
18 /*从AT24CXX读取多个字节，从指定地址最多到所在页的结尾*/
19 ReadBytesFromAT24CXX(&at24c,regAddress,rData,rSize);
20
21 /*向AT24CXX写入多个字节，从指定地址最多到所在页的结尾*/
22 WriteBytesToAT24CXX(&at24c,regAddress,wData,wSize);
23 }
4 、应用总结
这一篇中，我们设计了AT24Cxx系列EEPROM存储器的读写驱动，而且设计了一个简单的应用验证了驱动程序，读写操作都能按预期要求完成，而且操作也很稳定。
在使用驱动时我们需要注意，因为不同容量的AT24Cxx系列EEPROM存储器的每一页的字节数数不一样的。在多字节读写时，最多支持到所在页尾。到页尾后，EEPROM存储器的内部指针将回到页首，此时执行读则得到的是错误数据，若执行写则会覆盖原有数据造成错误。所以在程序中若读写的范围超越了一页的范围将会被舍弃。
在使用驱动时还需注意，因为不同容量的AT24Cxx系列EEPROM存储器的寻址范围是不一样的，所以用于表示寄存器地址的寄存器地址位数有1个字节和2个字节的差别，为了便于区分需要在对AT24Cxx系列EEPROM存储器对象进行初始化时指定。
源码下载：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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