痞子衡嵌入式：串行EEPROM接口事实标准及SPI EEPROM简介
你们好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给你们介绍的是EEPROM接口标准及SPI EEPROM。html
痞子衡以前写过一篇文章 《SLC Parallel NOR简介》，介绍过并行NOR Flash基本概念。众所周知，现现在嵌入式非易失性存储器基本被NOR Flash一统江湖了，但在Flash技术发明以前，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技术的发明但是拯救过一大批嵌入式工程师的，毕竟在这以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。虽然说如今Flash是主流，但在较低容量（2Mb如下）尤为是超低容量（1Kb如下）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：编程
1、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，它是全部闪存的基础。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一块儿对比。关于Flash你们都很熟悉，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按扇区操做，EEPROM按字节操做。Flash的特色是结构简单，容量能够作得比较大且在大数据量下的操做速度更快，但缺点是操做过程麻烦，因此Flash适于当不需频繁改写的程序存储器。而在有些应用中每每须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则很是适合。
EEPROM不像NOR, NAND Flash技术演进得那么复杂，所以实际上关于EEPROM并无成文的标准，即便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彷佛都听从某种约定的事实标准，这在后面介绍的EEPROM接口命令里显得尤其明显。缓存
2、Serial EEPROM原理
2.1 Serial EEPROM分类
从软件驱动开发角度而言，Serial EEPROM能够从如下几个方面进一步细分：electron
地址码长度：1byte / 2byte / 3byte
通讯接口类型：I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire性能
本文的主要研究对象是SPI接口的EEPROM。大数据
2.2 SPI EEPROM内存模型
EEPROM内存单元从大到小通常分为以下4层：Device、Sector、Page、Byte，其中Sector不是必有的，而且Page也只是个结构概念，跟NOR Flash里的Page/Sector意义不同，由于Byte就是EEPROM读写的最小单元（便可以任意地址随机访问），因此你能够把EEPROM当作一个非易失性的RAM。固然有些高端EEPROM中集成了Page/Sector操做命令，这只是为了让EEPROM操做效率更高而已。ui
2.3 SPI EEPROM信号与封装
SPI EEPROM通常有8个脚，除去电源Vcc,地GND/Vss，以及SPI四根信号线（CS#, SCK, SI, SO）不言而喻以外，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写操做暂停的功能，当该信号有效的时候，SI信号输入将被忽略，所以主机能够作其余更高优先级的事情。设计
SPI EEPROM虽然只有8pin，可是封装种类仍是比较齐全的，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：3d
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并无什么成文的接口命令标准，可是各大厂商生产的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），因此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。code
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以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是比较经常使用的，RDY#位主要用于标示全部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。状态寄存器中的其余两处定义bit7 - WPEN, bit[3:2] - BP[1:0]则主要与写保护特性有关，它们的具体做用以下：
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，这些命令并不必定通用，通常用于较大容量（3byte地址码，512Kb以上）的EEPROM上。痞子衡找了一款很是经典的EEPROM，来自Microchip的25AA系列（25AA1024），让咱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，为了提升EEPROM操做效率，Microchip为这颗EEPROM增长了Page/Sector/Chip Erase命令，使得擦除操做效率变高了，若是没有这些个性化擦除命令，那么只能经过标准WRITE命令去手动实现擦除操做，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，我们来看看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，地址码不一样，发送的地址字节数也不一样。对于容量大于512Kb的EEPROM（即地址码为3byte），显然要发送3byte的地址，才能肯定要读的数据所在地址，而后才能进行读数据操做。
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，按容量来讲其属于2byte地址码范畴，READ命令后须要发送2byte地址，但实际上只须要发送1byte地址(A7-A0)，而最高地址位A8放在了READ命令码bit3里，这样能够节省1个字节的地址码。所以1Kb - 512Kb容量的EEPROM地址码为2byte，512byte及如下容量的EEPROM地址码为1byte，以下图所示：
从上面读时序能够看出，READ命令码和地址码发完以后几乎没有等待周期，就能够直接读取EEPROM中数据，所以EEPROM读数据速率彻底取决于SPI总线速率，因此咱们只须要打开EEPROM数据手册，看看它最高能支持多高的SPI总线速率便可（常见的有2MHz/5MHz/10MHz/20MHz）。
对于写时序，就稍微复杂一些了，这里不考虑地址码区别，以2byte地址为例。首先在发送WRITE命令以前须要发送一个WREN命令使能写操做，由于默认EEPROM在执行完上一次写操做后会恢复写禁止状态，在发送WRITE命令进行写操做以前必须保证EEPROM处于写使能状态。
确保EEPROM进入写使能状态后，开始发送WRITE命令，而后是地址码，接着是要写入的数据，痞子衡前面讲过Page在EEPROM是个结构概念，但其实也跟WRITE命令有关，由于EEPROM既能够按byte去写，也能够按Page去写，若是须要存入连续的数据，显然按Page去写效率比按Byte写入更高。这里须要注意的是，WRITE命令后面跟的字节数不能超过要写入的首地址所在Page剩余的字节数。下图示例的Page写时序最大byte数为16/32，是由于示例EEPROM的page size即16/32 byte。
当一次WRITE时序内要写入的数据所有发送完成以后，底下便进入等待周期，与READ时序不一样的是，WRITE时序有等待周期，由于EEPROM内部要将缓存在page buffer里的数据编程到真正的内存空间里，这须要时间。用户只能经过不断地发送以下RDSR命令去读取状态寄存器bit0 - RDY#来判断WRITE等待周期是否结束。所以写时序速率不只仅取决于SPI总线速率，还取决于等待周期时长。
若是想快捷地了解SPI EEPROM的性能，最简单的就是打开SPI EEPROM手册，看首页的feature介绍，以下是25AA080的简要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产品
最后痞子衡收集了能够售卖SPI EEPROM芯片的厂商及产品系列：
| 厂商 | 芯片系列 | 官方网址 |
|---|---|---|
| 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接口标准及SPI EEPROM痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~