痞子衡嵌入式：串行EEPROM接口事實標準及SPI EEPROM簡介

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　　你們好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給你們介紹的是EEPROM接口標準及SPI EEPROM。

　　痞子衡以前寫過一篇文章 《SLC Parallel NOR簡介》，介紹過並行NOR Flash基本概念。衆所周知，現現在嵌入式非易失性存儲器基本被NOR Flash一統江湖了，但在Flash技術發明以前，EEPROM纔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技術的發明但是拯救過一大批嵌入式工程師的，畢竟在這以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。雖然說如今Flash是主流，但在較低容量（2Mb如下）尤爲是超低容量（1Kb如下）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：

1、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，它是全部閃存的基礎。1970年，第一款成功的浮柵型器件-EPROM被髮明。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一塊兒對比。關於Flash你們都很熟悉，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按扇區操做，EEPROM按字節操做。Flash的特色是結構簡單，容量能夠作得比較大且在大數據量下的操做速度更快，但缺點是操做過程麻煩，因此Flash適於當不需頻繁改寫的程序存儲器。而在有些應用中每每須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則很是適合。
　　EEPROM不像NOR, NAND Flash技術演進得那麼複雜，所以實際上關於EEPROM並無成文的標準，即便最知名的電子行業標準之一JEDEC也沒有關於EEPROM的標準出臺，不過各大廠商生產的EEPROM彷佛都聽從某種約定的事實標準，這在後面介紹的EEPROM接口命令裏顯得尤其明顯。

2、Serial EEPROM原理

2.1 Serial EEPROM分類

　　從軟件驅動開發角度而言，Serial EEPROM能夠從如下幾個方面進一步細分：

地址碼長度：1byte / 2byte / 3byte
通訊接口類型：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內存單元從大到小通常分爲以下4層：Device、Sector、Page、Byte，其中Sector不是必有的，而且Page也只是個結構概念，跟NOR Flash裏的Page/Sector意義不同，由於Byte就是EEPROM讀寫的最小單元（便可以任意地址隨機訪問），因此你能夠把EEPROM當作一個非易失性的RAM。固然有些高端EEPROM中集成了Page/Sector操做命令，這只是爲了讓EEPROM操做效率更高而已。

2.3 SPI EEPROM信號與封裝

　　SPI EEPROM通常有8個腳，除去電源Vcc,地GND/Vss，以及SPI四根信號線（CS#, SCK, SI, SO）不言而喻以外，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裏的內容；而HOLD#則提供EEPROM寫操做暫停的功能，當該信號有效的時候，SI信號輸入將被忽略，所以主機能夠作其餘更高優先級的事情。

　　SPI EEPROM雖然只有8pin，可是封裝種類仍是比較齊全的，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並無什麼成文的接口命令標準，可是各大廠商生產的SPI EEPROM無一例外都支持下表的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），因此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以下表所示的事實標準的：

　　不考慮寫保護特性的話，bit0 - RDY#和bit1 - WEL是比較經常使用的，RDY#位主要用於標示全部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。狀態寄存器中的其餘兩處定義bit7 - WPEN, bit[3:2] - BP[1:0]則主要與寫保護特性有關，它們的具體做用以下：

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，這些命令並不必定通用，通常用於較大容量（3byte地址碼，512Kb以上）的EEPROM上。痞子衡找了一款很是經典的EEPROM，來自Microchip的25AA系列（25AA1024），讓咱們看看它有啥個性化的命令。這顆EEPROM容量爲1Mb，屬於大容量EEPROM，爲了提升EEPROM操做效率，Microchip爲這顆EEPROM增長了Page/Sector/Chip Erase命令，使得擦除操做效率變高了，若是沒有這些個性化擦除命令，那麼只能經過標準WRITE命令去手動實現擦除操做，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，我們來看看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）命令後，緊接着要發送想要讀取的內存地址，地址碼不一樣，發送的地址字節數也不一樣。對於容量大於512Kb的EEPROM（即地址碼爲3byte），顯然要發送3byte的地址，才能肯定要讀的數據所在地址，而後才能進行讀數據操做。

　　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，按容量來講其屬於2byte地址碼範疇，READ命令後須要發送2byte地址，但實際上只須要發送1byte地址(A7-A0)，而最高地址位A8放在了READ命令碼bit3裏，這樣能夠節省1個字節的地址碼。所以1Kb - 512Kb容量的EEPROM地址碼爲2byte，512byte及如下容量的EEPROM地址碼爲1byte，以下圖所示：

　　從上面讀時序能夠看出，READ命令碼和地址碼發完以後幾乎沒有等待週期，就能夠直接讀取EEPROM中數據，所以EEPROM讀數據速率徹底取決於SPI總線速率，因此咱們只須要打開EEPROM數據手冊，看看它最高能支持多高的SPI總線速率便可（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地址爲例。首先在發送WRITE命令以前須要發送一個WREN命令使能寫操做，由於默認EEPROM在執行完上一次寫操做後會恢復寫禁止狀態，在發送WRITE命令進行寫操做以前必須保證EEPROM處於寫使能狀態。

　　確保EEPROM進入寫使能狀態後，開始發送WRITE命令，而後是地址碼，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，由於EEPROM既能夠按byte去寫，也能夠按Page去寫，若是須要存入連續的數據，顯然按Page去寫效率比按Byte寫入更高。這裏須要注意的是，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數爲16/32，是由於示例EEPROM的page size即16/32 byte。

　　當一次WRITE時序內要寫入的數據所有發送完成以後，底下便進入等待週期，與READ時序不一樣的是，WRITE時序有等待週期，由於EEPROM內部要將緩存在page buffer裏的數據編程到真正的內存空間裏，這須要時間。用戶只能經過不斷地發送以下RDSR命令去讀取狀態寄存器bit0 - RDY#來判斷WRITE等待週期是否結束。所以寫時序速率不只僅取決於SPI總線速率，還取決於等待週期時長。

　　若是想快捷地瞭解SPI EEPROM的性能，最簡單的就是打開SPI EEPROM手冊，看首頁的feature介紹，以下是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

3、SPI EEPROM產品

　　最後痞子衡收集了能夠售賣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	https://www.microchip.com spi-eeprom-part-catalog
ST	M95	https://www.stmicroelectronics.com.cn spi-eeprom-part-catalog
Onsemi	CAT25	https://www.onsemi.cn spi-eeprom-part-catalog
Renesas	R1EX25	https://www.renesas.com/ spi-eeprom-part-catalog
Rohm	BR25A, BR25G, BR25H, BR25S	https://www.rohm.com spi-eeprom-part-catalog
Fudan Micro	FM25	http://www.fmsh.com spi-eeprom-part-catalog

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