痞子衡嵌入式：串行EEPROM接口事实标准及SPI EEPROM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：

　　从上面读时序可以看出，READ命令码和地址码发完之后几乎没有等待周期，就可以直接读取EEPROM中数据，因此EEPROM读数据速率完全取决于SPI总线速率，所以我们只需要打开EEPROM数据手册，看看它最高能支持多高的SPI总线速率即可（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命令之前需要发送一个WREN命令使能写操作，因为默认EEPROM在执行完上一次写操作后会恢复写禁止状态，在发送WRITE命令进行写操作之前必须保证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，然后是地址码，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，因为EEPROM既可以按byte去写，也可以按Page去写，如果需要存入连续的数据，显然按Page去写效率比按Byte写入更高。这里需要注意的是，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，是因为示例EEPROM的page size即16/32 byte。

　　当一次WRITE时序内要写入的数据全部发送完成之后，底下便进入等待周期，与READ时序不同的是，WRITE时序有等待周期，因为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，这需要时间。用户只能通过不断地发送如下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。因此写时序速率不仅仅取决于SPI总线速率，还取决于等待周期时长。

　　如果想快捷地了解SPI EEPROM的性能，最简单的就是打开SPI EEPROM手册，看首页的feature介绍，如下是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

三、SPI EEPROM产品

　　最后痞子衡收集了可以售卖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~~~

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