I2C 总线提供串行通信模式 MCU 与 EEPROM，LCD控制模块、温度传感器等。 I2C 用两条线 (数据线SDA 和时钟线 SCL) 将数据传输到设备间。 I2C 主机和从机之间的双向数据传输可用于多主机系统，支持无中央主机和多主机系统，主机和主机之间的总线仲载传输，同步时钟SCL允许设备间使用不同比特率的数据传输。支持主发、主收、从发、从收四种传输方式。 I2C 总线仅支持 7位地址。支持广播呼叫和标准速率传输 (100kbps) 和快速传输( 400k bps)
功能描述 对于双向传输操作，SDA 及SCL 引脚必须配置为泄漏模式，形成逻辑线和功能：当总线上有一个设备输出0时，总线 线为0电平，所有设备全输出1，总线为高电平，需通过外部上拉电阻拉高电平。N76E003, 在设置 I2CEN (I2CON.6)使能I2C必须在功能之前进行SCL，SDA逻辑1状态下的输出锁。
I2C 空闲时，两条线都为高。这时任一设备都可以做为主机发个起始位 START 数据传输开始，停止位置 STOP 在出现之前，总线被认为很忙。主机产生串行时钟脉冲、起始位置和停止位置。如果总线没有START起始 信号，所有总线设备被认为没有找到地址，硬件自动匹配自己的地址或广播呼叫地址，(广播地址可以自由 GC (I2ADDR.0)使能或禁止.)。如果地址匹配，就会中断。 I2C总线上传输的每个字节包含8个数据位(MSB优先)和一个响应位，共9位。但是每次传输的字节数量并不清楚 定义(起始位 START 和停止位 STOP字节数之间) ，但每个字节都应该有一个响应位。主机产生8小时钟脉 冲，传输8位数据。第八个时钟SCL下沿后，由SDA脚输出数据后，SDA将输入模式转换为第9个时钟脉冲，读取第9个响应位。第9个时钟脉冲后，如果数据接收器未准备好接收下一个字节，则可以拉动时钟线以保持低，并悬挂传输。接收器释放时钟线SCL未来，传输将继续。
开始和停止条件 I2C 总线时序定义了开始START (S)和结束STOP (P)的条件。时钟SCL数据线为高时SDA从高电平到低电平的跳跃被认为是开始START标志。时钟SCL数据线为高时SDA从低电平到高电平的跳变被认为是结束STOP标志。起始和结束都是由主机产生的，起始和结束被认为是总线忙碌的状态。在成功判断结束条件后，主机释放总量 在线路上，所有设备都回到监控总线的起始状态，之前的呼叫从机也变成了未寻址从机。 I2C总线进入空闲状态，等待下一个开始START信号，开始下一次传输。 如果主机发出停止位STOP，传输停止了。然而，主机也可以重新启动，而不是发送停止位置START信号（Sr）继续与上一个地址通信，或更改地址继续通信。各种阅读/写作组合格式操作可能存在传输。
7位地址数据格式 起始位 START 之后, 第一个字节必须是7位地址SLA 第8位读写方向位( W)用于定义目标从机地址和从机器写入或读取数据。如果第八个是0，也就是说SLA W，表示主机从下一个字节到从机写数据；如果是1，即SLA R，就表
从字节开始，主机向从机读取数据。因此，一个典型的数据包含起始位置 START，SLA W/R，一个或多个字节数据，最后停止 STOP。当一个从机已经通过字节找到并阅读时SLA W/R，随后，8位数据随之前的设置传输。 I2C还有一种特殊的寻址方式，广播呼叫寻址。 在此模式下，发送的首字节数据为0。 主机希望将相同的数据传输给所有从机。此寻址方式启用。软件决定是否发送应答。如果某个从机发送响应，该从机收发后续数据，与标准从机接收相同。注意：地址0x默认用于广播呼叫，不能用于普通从机地址。理论上，共有7个地址I2C 总线，共可以连接127个设备，地址由1至127。
在数据传输过程中，时钟高电平时，SDA数据内容需要保持不变。SCL为低时，SDA可以改变内容。
应答ACK 每字节传输SCL第九脉冲用于传输响应位置 (ACK)。通过将SDA为了允许接收端(无论是主机还是从机)端(主机或从机)。主机产生响应时钟。在响应时钟高电平周期内，发送端设备需要放弃SDA的控制。ACK 低电平信号。在响应位时钟周期的高电平时，SDA保持低电平，表示接收端已成功接收到发送端的数据。在整个传输过程中，每个字节都需要回复响应位置。当从机接收无法回应时（NACK）从机地址时，从机将SDA线路保持高，使主机停止(STOP)或发送重复开始(START)信号。
如果从机接收到没有响应的从机地址，则将自己切换到未找到的从机模式，以便无法接收更多的数据字节。此时，从机器将SDA线拉高，此时主机应发送停止STOP信号或重复开始(repeated START)信号。
如果主机接收，主机控制接收字节的数量的数量。最后一个字节收发后，主机不发送响应信号，从机器端切换到未找到地址的从机模式并释放SDA以便主机直接发送停止位置STOP 或重开始位START。
仲裁 主机只能在总线空闲时启动传输。可能有多个设备同时启动开始位置START试着启动数据传输，然后总线就会出现 仲裁。在这种状态下，当SCL为高时，SDA仲裁信号显示在上面。在仲裁过程中，第一个启动主机对SDA线置1（高电 另一个主机发送0(低电平)，发送后主机会对SDA由于线与，在线信号与自己发出的信号进行了比较 时钟的原因SCL高时，发送0的主机会成功，发送1的主机会失败。发送失败的主机立即切换到未被发现的主机 地址的从机状态，以确保仲裁胜利的主机能够找到地址。同时，数据线也被释放，回到地址检测状态，仲载失败 直到字节结束，主机仍然会发送时钟。 仲裁机制让每个主机发送数据时，都会同时比较总线上的数据是否与自己发送的一致。注：如果其它主机发送 0.发送1的主机在仲裁中失败，只有一个主机会持续到总线。如果两个主机同时向一个从机器发送数据，地面 第二个字节将继续仲裁。
I2C 总线的仲裁机制使得总线上的设备有多个主机，没有优先级。从机不参与仲裁。
I2C控制寄存器 I2C共有五个控制寄存器： I2CON, I2STAT, I2DAT, I2ADDR, 和 I2CLK. 这些寄存器用于提供协议控制、状态显示、数据传输、接收和时钟速度控制。配置灵活的应用程序I2CPX (I2CON.0)可以交换SDA，SCL引脚功能。
工作模式 I2C 协议定义了四种模式：主机发送、主机接收、从机接收和从机接收。还有一种特殊的广播呼叫模式，类似于从机接收模式。
主机发送模式 主机向从机发送多个字节，主机产生时钟，因此需要在I2CLK填写设定值。主机发送模式需要将STA (I2CON.5) 置1。此时，一旦检测到总线是空的，主机将发出起始位置START，若成功, SI(I2CON.3) 将被置1，状态码I2STAT置为08H。接下来，该是从机地址和写位(SLA W)写入 I2DAT ，然后清0位SI，总线上发出SLA W。 主机发出SLA W 接收从机应答位置ACK后， SI1、状态码I2STAT = 18H。数据将按用户定义格式发送。所有数据发送后，位 STO (I2CON.4)置1，并清除SI位以发出停止信号STOP，或者可以发送重复起始信号repeat START，而不发送STOP，直接开始新一轮数据传输。
主机接收模式 从机传输数据的主机接收模式。初始化设置与主机发送模式相同，主机发送起始位置后， I2DAT 应写入从机地址和读位 (SLA R)。接收从机应答位置ACK后 SI 被置1和状态码 I2STAT= 40H。 SI 如果清零后开始接收从机数据， AA 位 (I2CON.2) =1.主机收到数据后回应响应位置；如果 AA =收到数据后，主机没有回答NACK。然后主机可以停止或重新开始新一轮传输。
从机接收模式 从机接收模式下，从机接收主机发送的数据。I2ADDR 应写入从机地址，I2CLK内容无效，AA放置1以响应主机的地址搜索。初始化后，从机器进入空闲模式，等待写信号（SLA W）。如果主机仲裁失败，将直接进入从机接收模式。
当从机被写信号时SLA W找址后，需要清除0 SI从主机接收数据。如果在传输过程中AA=0.从机器将在下一个字节返回响应位置NACK，从机也将转换为未寻址从机，联系主机终止，不再接收数据I2DAT保持之以前收到的数据。
从机发送模式 从机发送模式，数据从机发送到主机。I2ADDR及I2CON值后，设备等待直到自己的地址被读取信号(SLA R)寻址。如果主机仲裁失败，也可以进入从机发送模式。
当从机被读取信号时SLA R寻址，需要将SI信号清0用于向主机发送数据。通常，主机在接收每个字节数据后会返回响应答：如果没有接收到响应位，则从机器将在下一次传输中发送全1数据。并将其转换为无地址从机器。如果在传输过程中AA清0 ，从机器将发送最后一个字节数据，并在接下来的传输中发送全1数据，并将自己变成无地址从机器。
各种状态码表示 I2STAT状态寄存器中有两种状态代码不属于25种状态：F8H 及 00H。 F8H 在以前的传输中没有有效的信息表示，SI标志位为0，无I2C 中断产生。 00H 在传输过程中标记总线错误。总线错误是指START 或 STOP在传输过程中出现错误的位置，例如在地址或数据的第二位或应答位。当总线发生错误，SI标志马上会被置1，工作中的节点设备马上切换到未被寻址从机模式，释放SDA 和SCL，并将I2STAT寄存器清0。要恢复总线状态，需要置位STO位并清除SI位，然后STO会由硬件清0，而不需要真正的STOP信号波形，释放总线恢复到正常空闲状态。 有一种特殊情况，当SDA线被强制拉低导致阻塞，START信号或重复起始(repeat START)信号无法成功产生时，从机将失去同步。解决方法是在SCL线上额外多送一个时钟脉冲。通过将STA位置1，总线上产生额外的时钟脉冲，由于SDA始终拉低，SDA线上不会产生START信号。一旦SDA线被释放，正常的START信号送出，状态寄存器上会显示08H，串行传输继续。相同的状况，如果需要发送重复开始 (repeated START)信号受阻，也可以采用上述方式。在上述方式完成传输后，状态寄存器显示10H，而不是显示08H。注：软件无法介入上述总线问题传输。
重要说明： 当总线上看到的STATUS 为总线错误（bus error）时， I2C为持续使能状态，由于对I2C模块来说错误并没有清除，无法直接用清除 SI 的方式来停止总线错误，故SI会保持在1。所以，如果程序中用SI来判定当下I2C状态并继续流程时，建议用下述方法来增加程序的稳定性。 解决方法： – 通过对总线送出Stop信号 – 如果送出Stop仍然无效，说明时序已被打乱，需要对I2C总线传输进行关闭再重新开始传输。
I2C 超时溢出
N76E003带一组14位超时计数器，用于防止I2C总线故障。一旦使能了超时定时器，计数器开始计数直至溢出，
即如果开启中断，I2TOF位会被硬件置1。当使能计数器，SI置1复位计数器， SI清0后重新开始计数。
若I2C总线出现故障，SI 位长时间不能清0，14位的超时定时器就会溢出，并进入中断。
I2C 中断 I2C的两个标志位：SI 和 I2TOF。这两个标志都会产生I2C事件中断请求。如果 EI2C (EIE.0) = 1且 EA = 1,当两个标志中的任意一个发生时， CPU 就会去执行中断代码。用户可以读取这两个标志位，来确定中断产生的原因。这两个标志需软件清0。 另外，当使用I2C超时寄存器功能时，必须打开I2C中断用来配合超时的时序，否则I2C超时计数标志不会产生置位。
/*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
/* */
/* Copyright(c) 2017 Nuvoton Technology Corp. All rights reserved. */
/* */
/*---------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
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// Nuvoton Technoledge Corp.
// Website: http://www.nuvoton.com
// E-Mail : MicroC-8bit@nuvoton.com
// Date : Jun/21/2017
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// File Function: N76E003 I2C demo code, Slave Address of 24LC64 = 0xA0
//
// ____________ ______________
// | | SDA | |
// | |<-------->| |
// | | | |
// |N76E003(M) | | 24LC64(S) |
// | | SCL | |
// | |--------->| |
// |____________| |_____________|
//
// Microchip I2C EEPROM 24xx64 (64K Bit) is used as the slave device.
// The page size are 32Byte. Total are 256 page.
// If verification passes, Port3 will show 0x78. If there is any failure
// occured during the progress, Port3 will show 0x00.
//***********************************************************************************************************
#include "N76E003.h"
#include "SFR_Macro.h"
#include "Function_define.h"
#include "Common.h"
#include "Delay.h"
#define SYS_CLK_EN 0
#define SYS_SEL 2
#define SYS_DIV_EN 0 //0: Fsys=Fosc, 1: Fsys = Fosc/(2*CKDIV)
#define SYS_DIV 1
#define I2C_CLOCK 2
#define EEPROM_SLA 0xA0
#define EEPROM_WR 0
#define EEPROM_RD 1
#define LED P3
#define PAGE_SIZE 32
#define PAGE_NUMBER 4
#define ERROR_CODE 0x78
#define TEST_OK 0x00
bit I2C_Reset_Flag;
//========================================================================================================
void Init_I2C(void)
{
P13_OpenDrain_Mode; // Modify SCL pin to Open drain mode. don't forget the pull high resister in circuit
P14_OpenDrain_Mode; // Modify SDA pin to Open drain mode. don't forget the pull high resister in circuit
/* Set I2C clock rate */
I2CLK = I2C_CLOCK;
/* Enable I2C */
set_I2CEN;
}
//========================================================================================================
void I2C_SI_Check(void)
{
if (I2STAT == 0x00)
{
I2C_Reset_Flag = 1;
set_STO;
SI = 0;
if(SI)
{
clr_I2CEN;
set_I2CEN;
clr_SI;
clr_I2CEN;
}
}
}
void One_Page_Read(UINT8 u8PageNumber,UINT8 u8DAT)
{
UINT8 u8Count;
UINT16 u16Address;
u16Address = (UINT16)u8PageNumber*32;
/* Step1 */
set_STA; /* Send Start bit to I2C EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x08) /* 0x08: A START condition has been transmitted*/
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send STA' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step2 */
I2DAT = (EEPROM_SLA | EEPROM_WR); /* Send (SLA+W) to EEPROM */
clr_STA; /* Clear STA and Keep SI value in I2CON */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x18) /* 0x18: SLA+W has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send SLA+W' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step3 */
I2DAT = HIBYTE(u16Address); /* Send I2C EEPROM's High Byte Address */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x28) /* 0x28: Data byte in S1DAT has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send I2C High Byte Address' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step4 */
I2DAT = LOBYTE(u16Address); /* Send I2C EEPROM's Low Byte Address */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x28) /* 0x28: Data byte in S1DAT has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send I2C Low Byte Address' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step5 */
set_STA; /* Repeated START */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x10) /* 0x10: A repeated START condition has been transmitted */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send STA' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step6 */
clr_STA; /* Clear STA and Keep SI value in I2CON */
I2DAT = (EEPROM_SLA | EEPROM_RD); /* Send (SLA+R) to EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x40) /* 0x40: SLA+R has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send SLA+R' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step7 */ /* Verify I2C EEPROM data */
for (u8Count = 0; u8Count <PAGE_SIZE; u8Count++)
{
set_AA; /* Set Assert Acknowledge Control Bit */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x50) /* 0x50:Data byte has been received; NOT ACK has been returned */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'No Ack' error");
goto Read_Error_Stop;
}
if (I2DAT != u8DAT) /* Send the Data to EEPROM */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Read data' error");
goto Read_Error_Stop;
}
u8DAT = ~u8DAT;
}
/* Step8 */
clr_AA; /* Send a NACK to disconnect 24xx64 */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x58) /* 0x58:Data byte has been received; ACK has been returned */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Ack' error");
goto Read_Error_Stop;
}
/* Step9 */
clr_SI;
set_STO;
while (STO) /* Check STOP signal */
{
I2C_SI_Check();
if (I2C_Reset_Flag)
goto Read_Error_Stop;
}
Read_Error_Stop:
if (I2C_Reset_Flag)
{
I2C_SI_Check();
printf("\nI2C Read error, test stop");
I2C_Reset_Flag = 0;
}
}
//========================================================================================================
void One_Page_Write(UINT8 u8PageNumber,UINT8 u8DAT)
{
UINT8 u8Count;
UINT16 u16Address;
u16Address = (UINT16)u8PageNumber*32;
/* Step1 */
set_STA; /* Send Start bit to I2C EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x08) /* 0x08: A START condition has been transmitted*/
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send STA' error");
goto Write_Error_Stop;
}
/* Step2 */
clr_STA; /* Clear STA and Keep SI value in I2CON */
I2DAT = EEPROM_SLA | EEPROM_WR; /* Send (SLA+W) to EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x18) /* 0x18: SLA+W has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send SLA+W' error");
goto Write_Error_Stop;
}
/* Step3 */
I2DAT = HIBYTE(u16Address); /* Send EEPROM's High Byte Address */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x28) /* 0x28: Data byte in S1DAT has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send High byte address' error");
goto Write_Error_Stop;
}
/* Step4 */
I2DAT = LOBYTE(u16Address); /* Send EEPROM's Low Byte Address */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x28) /* 0x28: Data byte in S1DAT has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Send Low byte address' error");
goto Write_Error_Stop;
}
/* Step5 */
/* Write data to I2C EEPROM */
for (u8Count = 0; u8Count < PAGE_SIZE; u8Count++)
{
I2DAT = u8DAT; /* Send data to EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x28) /* 0x28: Data byte in S1DAT has been transmitted; ACK has been received */
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Write Data' error");
goto Write_Error_Stop;
}
u8DAT = ~u8DAT;
}
//After STOP condition, a inner EEPROM timed-write-cycle
//will occure and EEPROM will not response to outside command
/* 0x18: SLA+W has been transmitted; ACK has been received */
/* Step6 */
do
{
set_STO; /* Set I2C STOP Control Bit */
clr_SI;
while (STO) /* Check STOP signal */
{
I2C_SI_Check();
if (I2C_Reset_Flag)
goto Write_Error_Stop;
}
set_STA; /* Check if no ACK is returned by EEPROM, it is under timed-write cycle */
clr_SI;
while (!SI);
if (I2STAT != 0x08) /* 0x08: A START condition has been transmitted*/
{
I2C_Reset_Flag = 1;
printf("\nI2C 'Wait Ready' error");
goto Write_Error_Stop;
}
clr_STA; /* Clear STA and Keep SI value in I2CON */
I2DAT = (EEPROM_SLA | EEPROM_WR); /* Send (SLA+W) to EEPROM */
clr_SI;
while (!SI);
}while(I2STAT != 0x18);
/* Step7 */
set_STO; /* Set STOP Bit to I2C EEPROM */
clr_SI;
while (STO) /* Check STOP signal */
{
I2C_SI_Check();
if (I2C_Reset_Flag)
goto Write_Error_Stop;
}
Write_Error_Stop:
if (I2C_Reset_Flag)
{
I2C_SI_Check();
I2C_Reset_Flag = 0;
printf("\nI2C Write error, test stop");
}
}
//========================================================================================================
void main(void)
{
Set_All_GPIO_Quasi_Mode;
InitialUART0_Timer3(115200);
/* Initial I2C function */
Init_I2C(); //initial I2C circuit
/* page0 R/W */
printf ("\n\n24LC64 Page0 Write (0x55,0xAA...)...");
One_Page_Write(0,0x55); //page0, write 0x55,0xAA,........
printf ("\n\n24LC64 Page0 Read...");
One_Page_Read (0,0x55); //page0, read 0x55,0xAA,........
/* page1 R/W */
printf ("\n\n24LC64 Page1 Write (0x00,0xFF...)...");
One_Page_Write(1,0x00); //page1, write 0x00,0xFF,........
printf ("\n\n24LC64 Page1 Read...");
One_Page_Read (1,0x00); //page1, read 0x00,0xFF,........
/* page2 R/W */
printf ("\n\n24LC64 Page2 Write (0xAA,0x55...)...");
One_Page_Write(2,0xAA); //page2, write 0xAA,0x55,........
printf ("\n\n24LC64 Page2 Read...");
One_Page_Read (2,0xAA); //page2, read 0xAA,0x55,........
/* page3 R/W */
printf ("\n\n24LC64 Page3 Write (0xFF,0x00...)...");
One_Page_Write(3,0xFF); //page3, write 0xFF,0x00,........
printf ("\n\n24LC64 Page3 Read...");
One_Page_Read (3,0xFF); //page3, read 0xFF,0x00,........
/* page255 R/W */
printf ("\n\n24LC64 Page255 Write (0x0F,0xF0...)...");
One_Page_Write(255,0x0F); //page255, write 0x0F,0xF0,........
printf ("\n\n24LC64 Page255 Read...");
One_Page_Read (255,0x0F); //page255, read 0x0F,0xF0,........
/* ==== Test Pass ==== */
printf ("\n\N76E003 <--> 24LC64, I2C Demo Code test pass...");
while (1);
/* =================== */
}