痞子衡嵌入式：串列EEPROM介面事實標準及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介面標準及SPI EEPROM。

　　痞子衡之前寫過一篇文章 《SLC Parallel NOR簡介》，介紹過並行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，它是所有快閃記憶體的基礎。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，發明瞭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按位元組操作。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式存儲器。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，即使最知名的電子行業標準之一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介面命令里顯得尤為明顯。

二、Serial EEPROM原理

2.1 Serial EEPROM分類

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

地址碼長度：1byte / 2byte / 3byte
通信介面類型：I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire

　　本文的主要研究對象是SPI介面的EEPROM。

2.2 SPI EEPROM記憶體模型

　　EEPROM記憶體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#（防寫）和HOLD#（掛起）。WP#信號主要是從硬體層面上對EEPROM記憶體進行保護，防止電路上的雜訊干擾篡改了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順序的事情。

　　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介面命令

2.4.1 事實標準

　　痞子衡在文章開頭的時候講過，SPI EEPROM並沒有什麼成文的介面命令標準，但是各大廠商生產的SPI EEPROM無一例外都支持下表的6條命令，即READ（讀記憶體）、WRITE（寫記憶體）、WREN（寫使能）、WRDI（寫禁止）、RDSR（讀狀態寄存器）、WRSR（寫狀態寄存器），所以從軟體介面層面而言，這6條命令就是SPI EEPROM事實上的介面命令標準。

　　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表所示的事實標準的：

　　不考慮防寫特性的話，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記憶體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]則主要與防寫特性有關，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匯流排發完READ（0x03）命令後，緊接著要發送想要讀取的記憶體地址，地址碼不同，發送的地址位元組數也不同。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命令後需要發送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個位元組的地址碼。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匯流排速率，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匯流排速率即可（常見的有2MHz/5MHz/10MHz/20MHz）。
　　對於寫時序，就稍微複雜一些了，這裡不考慮地址碼區別，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，因為預設EEPROM在執行完上一次寫操作後會恢覆寫禁止狀態，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進入寫使能狀態後，開始發送WRITE命令，然後是地址碼，接著是要寫入的數據，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。這裡需要註意的是，WRITE命令後面跟的位元組數不能超過要寫入的首地址所在Page剩餘的位元組數。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記憶體空間里，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匯流排速率，還取決於等待周期時長。

　　如果想快捷地瞭解SPI EEPROM的性能，最簡單的就是打開SPI EEPROM手冊，看首頁的feature介紹，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晶元的廠商及產品系列：

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