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痞子衡嵌入式:串行EEPROM接口事实标准及SPI EEPROM简介(一)
2019-11-18 11:23:04 】 浏览:24
Tags:痞子 嵌入式 串行 EEPROM 接口 事实 标准 SPI 简介


  大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是EEPROM接口标准及SPI EEPROM

  痞子衡之前写过一篇文章 《SLC Parallel NOR简介》,介绍过并行NOR Flash基本概念。众所周知,现如今嵌入式非易失性存储器基本被NOR Flash一统江湖了,但在Flash技术发明之前,EEPROM才是非易失性存储器的霸主。EEPROM的全称是"电可擦除可编程只读存储器",即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM技术的发明可是拯救过一大批嵌入式工程师的,毕竟在这之前非易失性存储器技术的演进分别是ROM(只读), PROM(只能写一次), EPROM(紫外线可擦除),擦除方式都不太友好,直到EEPROM的出现才变得人性化。虽说现在Flash是主流,但在较低容量(2Mb以下)尤其是超低容量(1Kb以下)的市场,EEPROM仍然有其不可替代的应用场合。今天痞子衡就来好好聊一聊EEPROM:

一、EEPROM背景简介

  聊到EEPROM发展史,不得不提浮栅MOSFET,这是一项发明于1967年的技术,它是所有闪存的基础。1970年,第一款成功的浮栅型器件-EPROM被发明。1979年,大名鼎鼎的SanDisk(闪迪)创始人Eli Harari,发明了世界上首个电可擦除的浮栅型器件即EEPROM。
  讲到EEPROM必然要将它和与其相爱相杀的Flash一起对比。关于Flash大家都很熟悉,但其实Flash全称应该叫Flash EEPROM,它属于广义的EEPROM。而本文主角EEPROM,指的是狭义的EEPROM,Flash和EEPROM最大的区别是:Flash按扇区操作,EEPROM按字节操作。Flash的特点是结构简单,容量可以做得比较大且在大数据量下的操作速度更快,但缺点是操作过程麻烦,所以Flash适于当不需频繁改写的程序存储器。而在有些应用中往往需要频繁的改写某些小量数据且需掉电非易失,传统结构的EEPROM则非常适合。
  EEPROM不像NOR, NAND Flash技术演进得那么复杂,因此实际上关于EEPROM并没有成文的标准,即使最知名的电子行业标准之一JEDEC也没有关于EEPROM的标准出台,不过各大厂商生产的EEPROM似乎都遵从某种约定的事实标准,这在后面介绍的EEPROM接口命令里显得尤为明显。

二、Serial EEPROM原理

2.1 Serial EEPROM分类

  从软件驱动开发角度而言,Serial EEPROM可以从以下几个方面进一步细分:

地址码长度:1byte / 2byte / 3byte
通信接口类型:I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire

  本文的主要研究对象是SPI接口的EEPROM。

2.2 SPI EEPROM内存模型

  EEPROM内存单元从大到小一般分为如下4层:Device、Sector、Page、Byte,其中Sector不是必有的,并且Page也只是个结构概念,跟NOR Flash里的Page/Sector意义不一样,因为Byte就是EEPROM读写的最小单元(即可以任意地址随机访问),所以你可以把EEPROM当做一个非易失性的RAM。当然有些高端EEPROM中集成了Page/Sector操作命令,这只是为了让EEPROM操作效率更高而已。

2.3 SPI EEPROM信号与封装

  SPI EEPROM一般有8个脚,除去电源Vcc,地GND/Vss,以及SPI四根信号线(CS#, SCK, SI, SO)不言而喻之外,还有两根特殊的控制信号,即WP#(写保护)和HOLD#(挂起)。WP#信号主要是从硬件层面上对EEPROM内存进行保护,防止电路上的噪声干扰篡改了EEPROM里的内容;而HOLD#则提供EEPROM写操作暂停的功能,当该信号有效的时候,SI信号输入将被忽略,因此主机可以做其他更高优先级的事情。

  SPI EEPROM虽然只有8pin,但是封装种类还是比较齐全的,这其中最经典的当属JEDEC定义的8-lead SOIC,此外还有TSSOP8, UDFN8, WLCSP8,下图罗列了常见封装:

2.4 SPI EEPROM接口命令

2.4.1 事实标准

  痞子衡在文章开头的时候讲过,SPI EEPROM并没有什么成文的接口命令标准,但是各大厂商生产的SPI EEPROM无一例外都支持下表的6条命令,即READ(读内存)、WRITE(写内存)、WREN(写使能)、WRDI(写禁止)、RDSR(读状态寄存器)、WRSR(写状态寄存器),所以从软件接口层面而言,这6条命令就是SPI EEPROM事实上的接口命令标准。

  除了6条标准命令外,SPI EEPROM内部还有一个8bit的状态寄存器,用于反馈命令执行状态,这8bit状态寄存器的位定义也是存在如下表所示的事实标准的:

  不考虑写保护特性的话,bit0 - RDY#和bit1 - WEL是比较常用的,RDY#位主要用于标示所有涉及改变内存或状态寄存器的命令的执行结果,WEL位则保存了上一次WREN和WRDI命令的执行结果。状态寄存器中的其他两处定义bit7 - WPEN, bit[3:2] - BP[1:0]则主要与写保护特性有关,它们的具体作用如下:

2.4.2 厂商个性化

  除了6条事实标准的命令外,有些厂商还实现了一些自定义的命令,这些命令并不一定通用,一般用于较大容量(3byte地址码,512Kb以上)的EEPROM上。痞子衡找了一款非常经典的EEPROM,来自Microchip的25AA系列(25AA1024),让我们看看它有啥个性化的命令。这颗EEPROM容量为1Mb,属于大容量EEPROM,为了提高EEPROM操作效率,Microchip为这颗EEPROM增加了Page/Sector/Chip Erase命令,使得擦除操作效率变高了,如果没有这些个性化擦除命令,那么只能通过标准WRITE命令去手动实现擦除操作,既麻烦又低效。

2.5 SPI EEPROM数据速率

  数据存取速率是个重要的技术指标,咱们来看看SPI EEPROM的读写时序,前面痞子衡在讲EEPROM分类的时候提到过EEPROM地址码有1byte/2byte/3byte之分,地址码的区别主要体现了EEPROM读写时序上。对于读时序,在SPI总线发完READ(0x03)命令后,紧接着要发送想要读取的内存地址,地址码不同,发送的地址字节数也不同。对于容量大于512Kb的EEPROM(即地址码为3byte),显然要发送3byte的地址,才能确定要读的数据所在地址,然后才能进行读数据操作。

  而对于容量小于等于512Kb的EEPROM,关于1byte和2byte地址码区分,有一个特殊的设计,即对于512byte容量的EEPROM,按容量来说其属于2byte地址码范畴,READ命令后需要发送2byte地址,但实际上只需要发送1byte地址(A7-A0),而最高地址位A8放在了READ命令码bit3里,这样可以节省1个字节的地址码。因此1Kb - 512Kb容量的EEPROM地址码为2byte,512byte及以下容量的EEPROM地址码为1byte,如下图所示:


  从上面读时序可以
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