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痞子衡嵌入式:串行EEPROM接口事實標準及SPI EEPROM簡介

  大家好,我是痞子衡,是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是EEPROM接口標準及SPI EEPROM

  痞子衡之前寫過一篇文章 ,介紹過并行NOR Flash基本概念。眾所周知,現如今嵌入式非易失性存儲器基本被NOR Flash一統江湖了,但在Flash技術發明之前,EEPROM才是非易失性存儲器的霸主。EEPROM的全稱是”電可擦除可編程只讀存儲器”,即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM技術的發明可是拯救過一大批嵌入式工程師的,畢竟在這之前非易失性存儲器技術的演進分別是ROM(只讀), PROM(只能寫一次), EPROM(紫外線可擦除),擦除方式都不太友好,直到EEPROM的出現才變得人性化。雖說現在Flash是主流,但在較低容量(2Mb以下)尤其是超低容量(1Kb以下)的市場,EEPROM仍然有其不可替代的應用場合。今天痞子衡就來好好聊一聊EEPROM:

一、EEPROM背景簡介

  聊到EEPROM發展史,不得不提浮柵MOSFET,這是一項發明於1967年的技術,它是所有閃存的基礎。1970年,第一款成功的浮柵型器件-EPROM被發明。1979年,大名鼎鼎的SanDisk(閃迪)創始人Eli Harari,發明了世界上首個電可擦除的浮柵型器件即EEPROM。
  講到EEPROM必然要將它和與其相愛相殺的Flash一起對比。關於Flash大家都很熟悉,但其實Flash全稱應該叫Flash EEPROM,它屬於廣義的EEPROM。而本文主角EEPROM,指的是狹義的EEPROM,Flash和EEPROM最大的區別是:Flash按扇區操作,EEPROM按字節操作。Flash的特點是結構簡單,容量可以做得比較大且在大數據量下的操作速度更快,但缺點是操作過程麻煩,所以Flash適於當不需頻繁改寫的程序存儲器。而在有些應用中往往需要頻繁的改寫某些小量數據且需掉電非易失,傳統結構的EEPROM則非常適合。
  EEPROM不像NOR, NAND Flash技術演進得那麼複雜,因此實際上關於EEPROM並沒有成文的標準,即使最知名的电子行業標準之一JEDEC也沒有關於EEPROM的標準出台,不過各大廠商生產的EEPROM似乎都遵從某種約定的事實標準,這在後面介紹的EEPROM接口命令里顯得尤為明顯。

二、Serial EEPROM原理

2.1 Serial EEPROM分類

  從軟件驅動開發角度而言,Serial EEPROM可以從以下幾個方面進一步細分:

地址碼長度:1byte / 2byte / 3byte
通信接口類型:I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire

  本文的主要研究對象是SPI接口的EEPROM。

2.2 SPI EEPROM內存模型

  EEPROM內存單元從大到小一般分為如下4層:Device、Sector、Page、Byte,其中Sector不是必有的,並且Page也只是個結構概念,跟NOR Flash里的Page/Sector意義不一樣,因為Byte就是EEPROM讀寫的最小單元(即可以任意地址隨機訪問),所以你可以把EEPROM當做一個非易失性的RAM。當然有些高端EEPROM中集成了Page/Sector操作命令,這隻是為了讓EEPROM操作效率更高而已。

2.3 SPI EEPROM信號與封裝

  SPI EEPROM一般有8個腳,除去電源Vcc,地GND/Vss,以及SPI四根信號線(CS#, SCK, SI, SO)不言而喻之外,還有兩根特殊的控制信號,即WP#(寫保護)和HOLD#(掛起)。WP#信號主要是從硬件層面上對EEPROM內存進行保護,防止電路上的噪聲干擾篡改了EEPROM里的內容;而HOLD#則提供EEPROM寫操作暫停的功能,當該信號有效的時候,SI信號輸入將被忽略,因此主機可以做其他更高優先級的事情。

  SPI EEPROM雖然只有8pin,但是封裝種類還是比較齊全的,這其中最經典的當屬JEDEC定義的8-lead SOIC,此外還有TSSOP8, UDFN8, WLCSP8,下圖羅列了常見封裝:

2.4 SPI EEPROM接口命令

2.4.1 事實標準

  痞子衡在文章開頭的時候講過,SPI EEPROM並沒有什麼成文的接口命令標準,但是各大廠商生產的SPI EEPROM無一例外都支持下錶的6條命令,即READ(讀內存)、WRITE(寫內存)、WREN(寫使能)、WRDI(寫禁止)、RDSR(讀狀態寄存器)、WRSR(寫狀態寄存器),所以從軟件接口層面而言,這6條命令就是SPI EEPROM事實上的接口命令標準。

  除了6條標準命令外,SPI EEPROM內部還有一個8bit的狀態寄存器,用於反饋命令執行狀態,這8bit狀態寄存器的位定義也是存在如下錶所示的事實標準的:

  不考慮寫保護特性的話,bit0 – RDY#和bit1 – WEL是比較常用的,RDY#位主要用於標示所有涉及改變內存或狀態寄存器的命令的執行結果,WEL位則保存了上一次WREN和WRDI命令的執行結果。狀態寄存器中的其他兩處定義bit7 – WPEN, bit[3:2] – BP[1:0]則主要與寫保護特性有關,它們的具體作用如下:

2.4.2 廠商個性化

  除了6條事實標準的命令外,有些廠商還實現了一些自定義的命令,這些命令並不一定通用,一般用於較大容量(3byte地址碼,512Kb以上)的EEPROM上。痞子衡找了一款非常經典的EEPROM,來自Microchip的25AA系列(25AA1024),讓我們看看它有啥個性化的命令。這顆EEPROM容量為1Mb,屬於大容量EEPROM,為了提高EEPROM操作效率,Microchip為這顆EEPROM增加了Page/Sector/Chip Erase命令,使得擦除操作效率變高了,如果沒有這些個性化擦除命令,那麼只能通過標準WRITE命令去手動實現擦除操作,既麻煩又低效。

2.5 SPI EEPROM數據速率

  數據存取速率是個重要的技術指標,咱們來看看SPI EEPROM的讀寫時序,前面痞子衡在講EEPROM分類的時候提到過EEPROM地址碼有1byte/2byte/3byte之分,地址碼的區別主要體現了EEPROM讀寫時序上。對於讀時序,在SPI總線發完READ(0x03)命令后,緊接着要發送想要讀取的內存地址,地址碼不同,發送的地址字節數也不同。對於容量大於512Kb的EEPROM(即地址碼為3byte),顯然要發送3byte的地址,才能確定要讀的數據所在地址,然後才能進行讀數據操作。

  而對於容量小於等於512Kb的EEPROM,關於1byte和2byte地址碼區分,有一個特殊的設計,即對於512byte容量的EEPROM,按容量來說其屬於2byte地址碼範疇,READ命令后需要發送2byte地址,但實際上只需要發送1byte地址(A7-A0),而最高地址位A8放在了READ命令碼bit3里,這樣可以節省1個字節的地址碼。因此1Kb – 512Kb容量的EEPROM地址碼為2byte,512byte及以下容量的EEPROM地址碼為1byte,如下圖所示:

  從上面讀時序可以看出,READ命令碼和地址碼發完之後幾乎沒有等待周期,就可以直接讀取EEPROM中數據,因此EEPROM讀數據速率完全取決於SPI總線速率,所以我們只需要打開EEPROM數據手冊,看看它最高能支持多高的SPI總線速率即可(常見的有2MHz/5MHz/10MHz/20MHz)。
  對於寫時序,就稍微複雜一些了,這裏不考慮地址碼區別,以2byte地址為例。首先在發送WRITE命令之前需要發送一個WREN命令使能寫操作,因為默認EEPROM在執行完上一次寫操作後會恢複寫禁止狀態,在發送WRITE命令進行寫操作之前必須保證EEPROM處於寫使能狀態。

  確保EEPROM進入寫使能狀態后,開始發送WRITE命令,然後是地址碼,接着是要寫入的數據,痞子衡前面講過Page在EEPROM是個結構概念,但其實也跟WRITE命令有關,因為EEPROM既可以按byte去寫,也可以按Page去寫,如果需要存入連續的數據,顯然按Page去寫效率比按Byte寫入更高。這裏需要注意的是,WRITE命令後面跟的字節數不能超過要寫入的首地址所在Page剩餘的字節數。下圖示例的Page寫時序最大byte數為16/32,是因為示例EEPROM的page size即16/32 byte。

  當一次WRITE時序內要寫入的數據全部發送完成之後,底下便進入等待周期,與READ時序不同的是,WRITE時序有等待周期,因為EEPROM內部要將緩存在page buffer里的數據編程到真正的內存空間里,這需要時間。用戶只能通過不斷地發送如下RDSR命令去讀取狀態寄存器bit0 – RDY#來判斷WRITE等待周期是否結束。因此寫時序速率不僅僅取決於SPI總線速率,還取決於等待周期時長。

  如果想快捷地了解SPI EEPROM的性能,最簡單的就是打開SPI EEPROM手冊,看首頁的feature介紹,如下是25AA080的簡要feature:

• Max. Clock 10 MHz
• 1024 x 8-bit Organization
• 16 Byte Page (‘C’ version devices)
• 32 Byte Page (‘D’ version devices)
• Self-Timed Erase and Write Cycles (5 ms max.)
• Block Write Protection:
  - Protect none, 1/4, 1/2 or all of array
• Built-In Write Protection:
  - Power-on/off data protection circuitry
  - Write enable latch
  - Write-protect pin
• Sequential Read
• High Reliability:
  - Endurance: > 1M erase/write cycles
  - Data retention: > 200 years

三、SPI EEPROM產品

  最後痞子衡收集了可以售賣SPI EEPROM芯片的廠商及產品系列:

廠商 芯片系列 官方網址
Microchip
Atmel
25AA, 25LC
AT25
ST M95
Onsemi CAT25
Renesas R1EX25
Rohm BR25A, BR25G, BR25H, BR25S
Fudan Micro FM25

  至此,EEPROM接口標準及SPI EEPROM痞子衡便介紹完畢了,掌聲在哪裡~~~

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