痞子衡嵌入式：串行EEPROM接口事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及SPI EEPROM簡(jiǎn)介

眾所周知，現(xiàn)如今嵌入式非易失性存儲(chǔ)器基本被NOR Flash一統(tǒng)江湖了，但在Flash技術(shù)發(fā)明之前，EEPROM才是非易失性存儲(chǔ)器的霸主。EEPROM的全稱(chēng)是"電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器"，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM技術(shù)的發(fā)明可是拯救過(guò)一大批嵌入式工程師的，畢竟在這之前非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的演進(jìn)分別是ROM(只讀), PROM(只能寫(xiě)一次), EPROM(紫外線(xiàn)可擦除)，擦除方式都不太友好，直到EEPROM的出現(xiàn)才變得人性化。雖說(shuō)現(xiàn)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(chǎng)，EEPROM仍然有其不可替代的應(yīng)用場(chǎng)合。今天痞子衡就來(lái)好好聊一聊EEPROM

　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是EEPROM接口標(biāo)準(zhǔn)及SPI EEPROM。

　　痞子衡之前寫(xiě)過(guò)一篇文章《SLC Parallel NOR簡(jiǎn)介》，介紹過(guò)并行NOR Flash基本概念。眾所周知，現(xiàn)如今嵌入式非易失性存儲(chǔ)器基本被NOR Flash一統(tǒng)江湖了，但在Flash技術(shù)發(fā)明之前，EEPROM才是非易失性存儲(chǔ)器的霸主。EEPROM的全稱(chēng)是"電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器"，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM技術(shù)的發(fā)明可是拯救過(guò)一大批嵌入式工程師的，畢竟在這之前非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的演進(jìn)分別是ROM(只讀), PROM(只能寫(xiě)一次), EPROM(紫外線(xiàn)可擦除)，擦除方式都不太友好，直到EEPROM的出現(xiàn)才變得人性化。雖說(shuō)現(xiàn)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(chǎng)，EEPROM仍然有其不可替代的應(yīng)用場(chǎng)合。今天痞子衡就來(lái)好好聊一聊EEPROM：

一、EEPROM背景簡(jiǎn)介

　　聊到EEPROM發(fā)展史，不得不提浮柵MOSFET，這是一項(xiàng)發(fā)明于1967年的技術(shù)，它是所有閃存的基礎(chǔ)。1970年，第一款成功的浮柵型器件-EPROM被發(fā)明。1979年，大名鼎鼎的SanDisk(閃迪)創(chuàng)始人Eli Harari，發(fā)明了世界上首個(gè)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(ài)相殺的Flash一起對(duì)比。關(guān)于Flash大家都很熟悉，但其實(shí)Flash全稱(chēng)應(yīng)該叫Flash EEPROM，它屬于廣義的EEPROM。而本文主角EEPROM，指的是狹義的EEPROM，F(xiàn)lash和EEPROM最大的區(qū)別是：Flash按扇區(qū)操作，EEPROM按字節(jié)操作。Flash的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容量可以做得比較大且在大數(shù)據(jù)量下的操作速度更快，但缺點(diǎn)是操作過(guò)程麻煩，所以Flash適于當(dāng)不需頻繁改寫(xiě)的程序存儲(chǔ)器。而在有些應(yīng)用中往往需要頻繁的改寫(xiě)某些小量數(shù)據(jù)且需掉電非易失，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的EEPROM則非常適合。

　　EEPROM不像NOR, NAND Flash技術(shù)演進(jìn)得那么復(fù)雜，因此實(shí)際上關(guān)于EEPROM并沒(méi)有成文的標(biāo)準(zhǔn)，即使最知名的電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一JEDEC也沒(méi)有關(guān)于EEPROM的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，不過(guò)各大廠(chǎng)商生產(chǎn)的EEPROM似乎都遵從某種約定的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，這在后面介紹的EEPROM接口命令里顯得尤為明顯。

二、Serial EEPROM原理

2.1 Serial EEPROM分類(lèi)

　　從軟件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)角度而言，Serial EEPROM可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步細(xì)分：

地址碼長(zhǎng)度：1byte / 2byte / 3byte
通信接口類(lèi)型：I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire

　　本文的主要研究對(duì)象是SPI接口的EEPROM。

2.2 SPI EEPROM內(nèi)存模型

　　EEPROM內(nèi)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，并且Page也只是個(gè)結(jié)構(gòu)概念，跟NOR Flash里的Page/Sector意義不一樣，因?yàn)?font color="Blue">Byte就是EEPROM讀寫(xiě)的最小單元（即可以任意地址隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)），所以你可以把EEPROM當(dāng)做一個(gè)非易失性的RAM。當(dāng)然有些高端EEPROM中集成了Page/Sector操作命令，這只是為了讓EEPROM操作效率更高而已。

2.3 SPI EEPROM信號(hào)與封裝

　　SPI EEPROM一般有8個(gè)腳，除去電源Vcc,地GND/Vss，以及SPI四根信號(hào)線(xiàn)（CS#, SCK, SI, SO）不言而喻之外，還有兩根特殊的控制信號(hào)，即WP#（寫(xiě)保護(hù)）和HOLD#（掛起）。WP#信號(hào)主要是從硬件層面上對(duì)EEPROM內(nèi)存進(jìn)行保護(hù)，防止電路上的噪聲干擾篡改了EEPROM里的內(nèi)容；而HOLD#則提供EEPROM寫(xiě)操作暫停的功能，當(dāng)該信號(hào)有效的時(shí)候，SI信號(hào)輸入將被忽略，因此主機(jī)可以做其他更高優(yōu)先級(jí)的事情。

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

2.4 SPI EEPROM接口命令

2.4.1 事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

　　痞子衡在文章開(kāi)頭的時(shí)候講過(guò)，SPI EEPROM并沒(méi)有什么成文的接口命令標(biāo)準(zhǔn)，但是各大廠(chǎng)商生產(chǎn)的SPI EEPROM無(wú)一例外都支持下表的6條命令，即READ（讀內(nèi)存）、WRITE（寫(xiě)內(nèi)存）、WREN（寫(xiě)使能）、WRDI（寫(xiě)禁止）、RDSR（讀狀態(tài)寄存器）、WRSR（寫(xiě)狀態(tài)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(shí)上的接口命令標(biāo)準(zhǔn)。

　　除了6條標(biāo)準(zhǔn)命令外，SPI EEPROM內(nèi)部還有一個(gè)8bit的狀態(tài)寄存器，用于反饋命令執(zhí)行狀態(tài)，這8bit狀態(tài)寄存器的位定義也是存在如下表所示的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的：

　　不考慮寫(xiě)保護(hù)特性的話(huà)，bit0 - RDY#和bit1 - WEL是比較常用的，RDY#位主要用于標(biāo)示所有涉及改變內(nèi)存或狀態(tài)寄存器的命令的執(zhí)行結(jié)果，WEL位則保存了上一次WREN和WRDI命令的執(zhí)行結(jié)果。狀態(tài)寄存器中的其他兩處定義bit7 - WPEN, bit[3:2] - BP[1:0]則主要與寫(xiě)保護(hù)特性有關(guān)，它們的具體作用如下：

2.4.2 廠(chǎng)商個(gè)性化

　　除了6條事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的命令外，有些廠(chǎng)商還實(shí)現(xiàn)了一些自定義的命令，這些命令并不一定通用，一般用于較大容量（3byte地址碼，512Kb以上）的EEPROM上。痞子衡找了一款非常經(jīng)典的EEPROM，來(lái)自Microchip的25AA系列（25AA1024），讓我們看看它有啥個(gè)性化的命令。這顆EEPROM容量為1Mb，屬于大容量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(méi)有這些個(gè)性化擦除命令，那么只能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)WRITE命令去手動(dòng)實(shí)現(xiàn)擦除操作，既麻煩又低效。

2.5 SPI EEPROM數(shù)據(jù)速率

　　數(shù)據(jù)存取速率是個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，咱們來(lái)看看SPI EEPROM的讀寫(xiě)時(shí)序，前面痞子衡在講EEPROM分類(lèi)的時(shí)候提到過(guò)EEPROM地址碼有1byte/2byte/3byte之分，地址碼的區(qū)別主要體現(xiàn)了EEPROM讀寫(xiě)時(shí)序上。對(duì)于讀時(shí)序，在SPI總線(xiàn)發(fā)完READ（0x03）命令后，緊接著要發(fā)送想要讀取的內(nèi)存地址，地址碼不同，發(fā)送的地址字節(jié)數(shù)也不同。對(duì)于容量大于512Kb的EEPROM（即地址碼為3byte），顯然要發(fā)送3byte的地址，才能確定要讀的數(shù)據(jù)所在地址，然后才能進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作。

　　而對(duì)于容量小于等于512Kb的EEPROM，關(guān)于1byte和2byte地址碼區(qū)分，有一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)，即對(duì)于512byte容量的EEPROM，按容量來(lái)說(shuō)其屬于2byte地址碼范疇，READ命令后需要發(fā)送2byte地址，但實(shí)際上只需要發(fā)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(jié)省1個(gè)字節(jié)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(shí)序可以看出，READ命令碼和地址碼發(fā)完之后幾乎沒(méi)有等待周期，就可以直接讀取EEPROM中數(shù)據(jù)，因此EEPROM讀數(shù)據(jù)速率完全取決于SPI總線(xiàn)速率，所以我們只需要打開(kāi)EEPROM數(shù)據(jù)手冊(cè)，看看它最高能支持多高的SPI總線(xiàn)速率即可（常見(jiàn)的有2MHz/5MHz/10MHz/20MHz）。

　　對(duì)于寫(xiě)時(shí)序，就稍微復(fù)雜一些了，這里不考慮地址碼區(qū)別，以2byte地址為例。首先在發(fā)送WRITE命令之前需要發(fā)送一個(gè)WREN命令使能寫(xiě)操作，因?yàn)槟J(rèn)EEPROM在執(zhí)行完上一次寫(xiě)操作后會(huì)恢復(fù)寫(xiě)禁止?fàn)顟B(tài)，在發(fā)送WRITE命令進(jìn)行寫(xiě)操作之前必須保證EEPROM處于寫(xiě)使能狀態(tài)。

　　確保EEPROM進(jìn)入寫(xiě)使能狀態(tài)后，開(kāi)始發(fā)送WRITE命令，然后是地址碼，接著是要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，痞子衡前面講過(guò)Page在EEPROM是個(gè)結(jié)構(gòu)概念，但其實(shí)也跟WRITE命令有關(guān)，因?yàn)镋EPROM既可以按byte去寫(xiě)，也可以按Page去寫(xiě)，如果需要存入連續(xù)的數(shù)據(jù)，顯然按Page去寫(xiě)效率比按Byte寫(xiě)入更高。這里需要注意的是，WRITE命令后面跟的字節(jié)數(shù)不能超過(guò)要寫(xiě)入的首地址所在Page剩余的字節(jié)數(shù)。下圖示例的Page寫(xiě)時(shí)序最大byte數(shù)為16/32，是因?yàn)槭纠鼸EPROM的page size即16/32 byte。

　　當(dāng)一次WRITE時(shí)序內(nèi)要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成之后，底下便進(jìn)入等待周期，與READ時(shí)序不同的是，WRITE時(shí)序有等待周期，因?yàn)镋EPROM內(nèi)部要將緩存在page buffer里的數(shù)據(jù)編程到真正的內(nèi)存空間里，這需要時(shí)間。用戶(hù)只能通過(guò)不斷地發(fā)送如下RDSR命令去讀取狀態(tài)寄存器bit0 - RDY#來(lái)判斷WRITE等待周期是否結(jié)束。因此寫(xiě)時(shí)序速率不僅僅取決于SPI總線(xiàn)速率，還取決于等待周期時(shí)長(zhǎng)。

　　如果想快捷地了解SPI EEPROM的性能，最簡(jiǎn)單的就是打開(kāi)SPI EEPROM手冊(cè)，看首頁(yè)的feature介紹，如下是25AA080的簡(jiǎn)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(chǎn)品

　　最后痞子衡收集了可以售賣(mài)SPI EEPROM芯片的廠(chǎng)商及產(chǎn)品系列：

廠(chǎng)商	芯片系列	官方網(wǎng)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