51单片机入门教程——AT24C02（I2C 总线）
前言
本教程基于B站江协科技课程进行个人学习整理，专为拥有C语言基础的零基础入门51单片机新手设计。既帮助解决因时间差导致的设备迭代调试难题，也助力新手快速掌握51单片机核心知识，实现从C语言理论到单片机实践应用的高效过渡 。
目录
前言
知识储备
1.储存器介绍
1.RAM
1.SRAM
2.DRAM
2.ROM
1.Mask ROM
2.PROM
3.EPROM
4.E2PROM
5.Flash
6.硬盘、软盘、光盘等
编辑2.存储器简化模型
1.简介
地址总线
数据总线
例：
存储器存储的基本原理
2.Mask ROM
3.PROM
4.“烧录”的由来
5.熔丝
6.EPROM
7.E2PROM
3.AT24C02介绍
4.引脚及应用电路
5.内部结构图
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6.I2C总线介绍
7.I2C电路规范
当CPU想发送数据“1”给从设备时
当CPU想发送数据“0”给从设备时
总结
知识储备
1.储存器介绍
RAM
全称“Random Access Memory”，直译“随机存取存储器”
优点：存储速度快
缺点：掉电丢失数据
ROM
全称“Read-Only Memory”，直译“只读存储器”
优点：掉电不丢失数据
缺点：存储速度慢
1.RAM
1.SRAM
1.采用电路结构来存储数据
2.所有存储器中，存储速度最快
3.一般用在电脑CPU的高速缓存中
4..缺点：容量小，成本高
2.DRAM
1.通过电容的充放电来存储数据。
2.由于要实现高集成度，单个电容的容值被设计得很小，而电容本身具有漏电的物理特性，在这种 情况下，容值小使得电容存储的电量有限，一旦存储数据后，电容的电量会因漏电较快流失，进 而导致数据丢失。
为解决这一问题，DRAM需要配备扫描电路。该电路会每隔一段时间读取DRAM中的数据，并对 电容进行补电操作，通过这种周期性刷新的方式，及时补充因漏电而损耗的电能，以确保数据的 完整性。
正因这种需要不断动态刷新数据的特性，此类存储器被称为DRAM
3.相比SRAM，DRAM的成本更低，容量更大
4.电脑中的内存条就是DRAM，手机中的运行内存也是DRAM
2.ROM
1.Mask ROM
1.是最早出现的ROM类型
2.采用电路结构来存储数据
3.Mask ROM在芯片制造过程中，通过掩模工艺将数据以特定的电路连接方式固化其中。一旦芯片 制造完成，其内部电路结构便固定下来，存储的数据也随之确定，无法再进行修改。
这种特性使得它具有非易失性，即使断电，第二天数据依然能完整保存。
同时，由于其电路结构不可更改，Mask ROM仅支持数据读取操作，无法进行写入，因此被称为 只读存储器 。
2.PROM
1.Mask ROM的儿子
2.采用电路结构来存储数据
3.PROM相较于Mask ROM，在数据写入方面实现了突破，具备了可写入性。
PROM在出厂时内部存储单元处于初始状态（通常为全“0”或全“1”），用户可根据实际需求，使 用特定的编程设备向其写入数据。
不过，PROM的数据写入具有一次性的特点，一旦完成首次写入操作，内部存储单元的状态就会 被永久性固定，后续无法再进行修改，写入的数据将始终保持不变，只能被读取。
3.EPROM
1.PROM的升级版
2.采用电路结构来存储数据
3.EPROM在生产完成后，用户可使用特定设备对其进行编程写入数据。
与PROM不同，EPROM具备数据清除功能，能将存储内容恢复至编程前的初始状态。这就好比 用铅笔在白纸上书写，字迹可通过橡皮擦除，EPROM的数据也能被擦除后重新写入 。
不过，EPROM的擦除过程较为特殊，需借助紫外线照射。
其芯片中间设有一个透明石英窗口，出厂时通常会覆盖一层黑色贴纸保护。
当需要擦除数据时，揭开贴纸使窗口暴露，用紫外线灯管近距离照射芯片30分钟左右，芯片内 浮 栅晶体管中存储的电荷会因紫外线光子能量而释放，从而完成数据擦除，以便进行新一轮编 程操作。
这种独特的擦除方式和芯片外观特征，也成为了EPROM区别于其他存储器的重要标志。
4.早期的单片机有采用EPROM，但远远没有我们现在使用的单片机方便
4.E2PROM
1.EPROM的儿子
2.采用电路结构来存储数据
3.E2PROM在数据擦除方面展现出显著优势。
与EPROM需要借助紫外线照射长达30分钟才能完成擦除不同，E2PROM仅需在5V低电压环境 下，通过程序控制，几毫秒内即可实现数据擦除，极大地提升了使用便捷性，因此在开发板中得 到广泛应用。
然而，尽管操作简便，E2PROM的应用范围在其他领域却相对有限。
这主要归因于其自身存在的局限性：
一方面，E2PROM的存储容量通常较小，难以满足一些对大容量存储有需求的场景；
另一方面，随着技术发展，Flash存储器凭借更高的存储密度、更快的读写速度以及更低的成本 等优势，逐渐成为市场主流，相比之下，E2PROM在性能和成本上的竞争力明显不足，限制了 其更广泛的应用。
4.本文的AT24C02就是一种E2PROM
5.Flash
1.现代应用非常广泛的一种存储介质
2.采用电路结构来存储数据
3.单片机程序的存储器、U盘、电脑的固态硬盘、手机的存储通常都使用Flash
6.硬盘、软盘、光盘等
1.传统的电脑机械硬盘靠磁介质来存储数据
2.软盘通过磁介质存储数据，曾作为早期电脑的A盘、B盘使用。但因其容量小、读写慢、易损坏 等缺陷，已被淘汰。
3.光盘利用光信号存储数据，应用于数据存储备份、音乐与视频播放、软件安装以及教育资源存储 等领域。
2.存储器简化模型
内部为网状结构（网格交错的节点不是连接的）
1.简介
地址总线
8根
通过电平信号选中其中一根地址线
特性：每次只能选中一行
在地址总线之前会加一个译码器，可以把多位数据，变成只有一位被选中的输出数据，再被地址总线接收并执行
在译码器之前的多位数据，就是实际的地址
数据总线
8根
下端输出数据
例：
首先将第一行第一个节点、第二个节点、第三个节点连上
地址总线执行译码器发送的数据“1000 0000”，选中第一行
那么输出总线输出数据“1110 0000”
存储器存储的基本原理
可以通过这种简化模型来理解。
在这个模型中，横竖交错的节点是关键。
通过控制这些节点的连接（短路）和断开（断路）状态来存储数据。
当节点处于断开状态时，意味着对应位置存储的数据为“0” ，此时数据总线输出的就是“0” 。
而若要实现节点短路来存储“1” ，不能简单地直接将交错节点相连。
因为直接连接会导致行与行之间相互干扰。例如，当选中第二行时，若第一行的节点已连接，可能会通过这些连接节点影响其他位的数据。
为避免这种干扰，可在节点处接入二极管。
接入二极管后，当高电平从正确方向输入时能够顺利通过，实现短路效果以存储“1” 。
同时，由于二极管具有反向截止特性，能阻止其他地方的高电平串入，从而有效防止其他行对当前行的干扰，保障数据存储与读取的准确性。
2.Mask ROM
Mask ROM在生产时，需由用户向厂家提供数据表，明确存储需求。
例如，若数据表指定“第一行前三个节点连接”，厂家便会在制造过程中，在第一行前三个横竖交错节点处添加二极管，构建导通电路；而该行其余节点则保持断开状态，不做额外处理。
整个制造完成后，芯片内部的电路结构和存储内容便被固定下来，无法进行更改。
3.PROM
PROM采用独特的结构实现数据可编程。
在PROM中，每个横竖交错节点都由两个二极管以头对头的方式相连。这种连接使得电流无论从哪个方向都无法通过，在初始状态下，相当于所有节点均处于断路状态。
其中，蓝色二极管具有特殊的电学特性。正常情况下，二极管遵循反向截止的规律，但当施加的反向电压超过其耐压阈值时，二极管会被击穿。一旦击穿，原本截止的二极管就会转变为短路状态，从而实现从断路到短路的转变，这正是PROM实现编程的核心机制。
在PROM编程时，通过在存储单元左侧施加高电压（例如24V），并将对应的数据总线接地，使得蓝色二极管两端产生高达24V的反向电压。此时，二极管会被击穿，节点转变为短路状态，类似于Mask ROM中节点连接的效果；而未被施加高电压的二极管则保持断路状态。通过逐行选中并施加高电压，即可将数据按照需求编程到PROM中。
由于蓝色二极管被击穿后无法恢复至初始状态，因此PROM仅支持一次编程操作，这也是其名称“可编程只读存储器”中“一次可编程”特性的由来。
4.“烧录”的由来
在早期的可编程存储器（如PROM）中，数据写入依赖二极管的特殊物理特性。
由于二极管被反向高电压击穿后，其内部结构遭到不可逆破坏，这种击穿现象本质上与“烧毁”类似 。当通过高电压将存储器内特定二极管击穿，从而改变存储单元的电路连接状态以写入数据时，这一过程就形象地被称为“烧录”。
久而久之，“烧录程序”这一术语也被广泛用于指代将程序下载到各类存储器件的操作。
单片机编程时，也有类似的机制。其特定引脚在编程阶段需要接入高电压作为编程电压，该电压的作用就是通过击毁内部对应二极管，实现数据的写入与存储单元状态的改变，从而完成程序的固化。
5.熔丝
熔丝（保险丝）与二极管在电路控制中展现出相似的特性。
正常工作时，二极管处于截止状态，相当于断路；当反向电压超过其耐压值被击穿后，便转变为短路状态。
熔丝同样如此，在正常电流范围内，它保持导通，相当于短路；一旦通过的电流过大，熔丝便会因过热熔断，形成断路。
正是基于二者这种由电流或电压触发、能实现断路与短路状态转换的特性，它们均可应用于编程控制。
在早期的PROM编程领域，衍生出了两种典型的编程方式：
一是利用二极管击穿实现编程的二极管击穿型；
二是借助熔丝熔断来完成编程的熔丝型。
这两种编程类型，通过对器件物理状态的改变，实现数据的存储与写入。
6.EPROM
作为后来发展而出的可擦除可编程只读存储器（EPROM），其原理与材料科学紧密相关。
在EPROM中，二极管的特性有了新的变化。
如同传统情况，二极管被击穿时会改变状态用于存储数据。
但EPROM的特别之处在于，当二极管被击穿后，借助一种特殊材料，能让二极管“恢复如初”。
具体操作是，在二极管击穿完成数据存储后，若要擦除数据，只需用紫外线照射约30分钟，二极管就能恢复到未击穿状态，这个过程就实现了数据擦除功能，这便是EPROM的工作原理。
7.E2PROM
E2PROM在EPROM的基础上进一步革新，将数据擦除与写入的媒介从紫外线替换为电信号。
不同于EPROM需借助紫外线长时间照射来恢复二极管的初始状态，E2PROM通过施加特定的电脉冲，就能直接对存储单元进行擦除和重写操作。
这种基于电信号控制的可逆机制，使得E²PROM在编程后能快速实现数据复原，极大提升了数据修改的便利性与效率，成为兼具灵活性和稳定性的存储解决方案 。
3.AT24C02介绍
1.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
2.存储介质：E2PROM
3.通讯接口：I2C总线
4.容量：256字节
4.引脚及应用电路
VDD、VSS：电源（1.8V~5.5V）
WP：写保护（低电平有效）
SCL、SDA：I2C接口
A0、A1、A2：I2C地址
5.内部结构图
红框内与I2C接口有关，暂且不看，先看圈外
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EEPROM的内部电路结构可看成如下图所示
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蓝色框内的作用：擦除数据
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蓝色框内
8位实际地址通过X译码器变成只有1位被选中的输出数据，再被存储器的地址总线接收并执行
4
蓝色框内
数据字地址寄存器（Data Word Address Register）
核心作用是管理存储地址。
其内部配置了专门用于存储地址信息的寄存器单元，该单元能够精确记录数据在存储器中的具体位置。
在执行数据写入或读取操作时，寄存器具备自动递增功能，每完成一次读写操作，它便会自动将存储的地址值加1，以此实现对存储器中相邻数据字的顺序访问。
当进行读取操作且未指定具体地址时，数据字地址寄存器将默认输出右侧寄存器所存储地址对应的数据，从而确保数据访问流程的高效与连贯。
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串行数据选择端
原本是并行的8位数据，通过Y译码器，将它一位一位的通过LOGIC输出
6.I2C总线介绍
1.I2C总线（Inter ICBUS)是由Philips公司开发的一种通用数据总线
2.两根通信线：SCL(Serial Clock)、SDA(Serial Data)
3.同步、半双工，带数据应答
4.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
对于应用着来说，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
7.I2C电路规范
1.所有I2C设备的SCL连在一起，SDA连在一起
2.设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式
3.SCL和SDA各添加一个上拉电阻，阻值一般为4.7千欧左右
4.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
左图为I2C电路连接，右图为从设备的内部结构
结合在一起就是开漏输出模式，如下图所示
单独看右边SDA开漏输出模式（蓝框内）
绿框中的装置是一个电子开关，当它左边的DATAN1 OUT给低电平“0”时，电路导通；给高电平“1”时，电路断开。左边的SCL开漏输出模式原理也一样
绿框下面的三角状装置是输入缓存，类似于一个电压表，能够检测交错节点处的电压，然后进行相关操作，它的输出抗阻很大，所以它所在的这条节点右边的线路相当于断路。当节点左边的线路也是断路时，整个设备就不能干扰外界
所以就能做到主设备对从设备一对一的控制
当CPU想发送数据“1”给从设备时
由于SDA配置了上拉电阻，上拉电阻会将SDA线的电平拉高到高电平状态。此时CPU将其对应的引脚设置为高电平输出模式，那么SDA线上就会保持高电平，设备便能接收到高电平“1”信号。
当CPU想发送数据“0”给从设备时
它会将相应的引脚电平设置为低电平。由于SDA线配置了上拉电阻，在没有数据发送或处于空闲状态时，SDA线会被上拉电阻拉高到高电平。当CPU输出低电平时，会拉低SDA线的电平此时设备就能检测到SDA线上的低电平信号，从而接收到数据“0”。
总结
蒜鸟，蒜鸟，你学不赢它滴