串行E2PROM的类型及应用

串行E2PROM的类型及应用

　　串行E2PROM是可在线电擦除和电写入的存储器，具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点，而且为低电压写入，在单片机系统中应用十分普遍。
　　串行E2PROM按总线形式分为三种，即I2C总线、Microwire总线及SPI总线三种。本文将以Microchip公司的产品为例对以上三种串行E2PROM进行介绍。
　　一、I2C总线型
　　I2C总线，是INTER INTEGRATED CIRCUIT BUS的缩写，即“内部集成电路总线”。I2C总线采用时钟(SCL)和数据(SDA)两根线进行数据传输，接口十分简单。Microchip公司的24XX系列串行E2PROM存储容量从128位(16×8)至256k位(32k×8)，采用I2C总线结构。24XX中，XX为电源电压范围。
　　1引脚
　　图1是24AA00/24LC00/24C00型128位I2C总线串行E2PROM的引脚图。
　　SDA是串行数据脚。该脚为双向脚，漏极开路，用于地址、数据的输入和数据的输出，使用时需加上拉电阻。
　　SCL是时钟脚。该脚为器件数据传输的同步时钟信号。
　　SDA和SCL脚均为施密特触发输入，并有滤波电路，可有效抑制噪声尖峰信号，保证在总线噪声严重时器件仍能正常工作。
　　在单片机系统中，总线受单片机控制。单片机产生串行时钟(SCL)，控制总线的存取，发送STRAT和STOP信号。
　　2总线协议
　　●仅当总线不忙(数据和时钟均保持高电平)时方能启动数据传输。
　　●在数据传输期间，时钟(SCL)为高电平时数据(SDA)必须保持不变。在SCL为高电平时数据线(SDA)从高电平跳变到低电平，为开始数据传输(START)的条件，开始数据传输条件后所有的命令有效；SCL为高电平时，数据(SDA)从低电平跳变到高电平，为停止数据传输(STOP)的条件，停止数据传输条件后所有的操作结束。
　　●开始数据传输START后、停止数据传输STOP前，SCL高电平期间，SDA上为有效数据。
　　●字节写入时，每写完一个字节，送一位传送结束信号ACK，直至STOP；读出时，每读完一个字节，送一位传送结束信号ACK，但STOP前一位结束时不送ACK信号。
　　3器件寻址
　　START后，单片机发送一个控制字，该控制字包括Start位(S)、受控地址(7位，对24XX00来说前四位为1010，后三位无关系)、读写(R/W)选择位(“1”为读，“0”为写)及传送结束位ACK。24XX00的控制字格式如下：
　 S  1  0  1  0  X  X  X  R/W  ACK
　　24XX00随时监视总线上是否为有效地址，若受控地址正确且器件未处在编程方式下，则产生传送结束位ACK。
　　4写操作　
　　单片机送出开始信号后，接着送器件码(7位)、R/W位(“0”)，表示ACK位后面为待写入数据字节的字地址和待写入数据字节，然后结束一个字节的写入。即S＋写控制字(R/W位为“0”)＋ACK(“0”)＋字地址＋ACK(“0”)＋写入数据＋ACK(“0”)＋STOP。
　　5读操作
　　读操作有三种，读当前地址的内容、读指定地址的内容、读指定起始地址后的若干字节的内容。
　　读当前地址的内容为：S＋读控制字(R/W位为“1”)＋ACK＋读出数据＋no ACK＋STOP
　　读指定地址的内容为：S＋写控制字(R/W位为“0”)＋ACK＋写入数据＋ACK＋读控制字(R/W位为“1”)＋ACK＋读出数据＋no ACK＋STOP
　　读指定起始地址后的若干字节的内容为：S＋写控制字(R/W位为“0”)＋ACK＋写入数据＋ACK＋读控制字(R/W位为“1”)＋ACK＋读出数据(1)＋ACK＋……＋读出数据(n＋x)＋noACK＋STOP
　　24XX系列串行E2PROM存储芯片与单片机硬件接口只有SCL和SDA两根线，非常简单。
　二、Microwire总线型
　　Microwire总线采用时钟(CLK)、数据输入(DI)、数据输出(DO)三根线进行数据传输，接口简单。Microchip公司的93XXX系列串行E2PROM存储容量从1k bit(×8/×16)至16k bit(×8/×16)，采用Microwire总线结构。产品采用先进的CMOS技术，是理想的低功耗非易失性存储器器件。
　　1引脚
　　93XX系列串行E2PROM的产品很多，附图是93AA46型1k 1.8V Microwire总线串行E2PROM的引脚图。
　　CS是片选输入，高电平有效。CS端低电平，93AA46为休眠状态。但若在一个编程周期启动后，CS由高变低，93AA46将在该编程周期完成后立即进入休眠状态。在连续指令与连续指令之间，CS必须有不小于250ns（TCSL)的低电平保持时间，使之复位(RESET)，芯片在CS为低电平期间，保持复位状态。
　　CLK是同步时钟输入，数据读写与CLK上升沿同步。对于自动定时写周期不需要CLK信号。
　　DI是串行数据输入，接受来自单片机的命令、地址和数据。
　　DO是串行数据输出，在DO端需加上拉电阻。
　　ORG是数据结构选择输入，当ORG为高电平时选×16结构，ORG为低电平时选×8结构。
　　2工作模式
　　根据单片机的不同命令，93AA46有7种不同的工作模式，附表给出在ORG=1(×16结构)时的命令集(表中“S”为Start位)。ORG=0(×8结构)，除在地址前加A6位或在地址后加一位“X”外，其余相同。
　　　除了读数据或编程操作期间检查READY/BUSY状态时外，DO脚均为高阻状。在擦除/写入过程中，DO为高电平表示“?Α保偷缙奖硎尽白急负谩薄Ｔ贑S下降沿到来时，DO进入高阻态。若在写入和擦除转换期间，CS保持高电平，则DO端的状态信号无效。
　　3功能
　　START(起始)条件　CS和DI均为高电平后CLK的第一个上升沿，确定为START。若紧随START条件后DI端输入满足7种工作模式中的一种所需的命令码、地址及数据位的组合，指令将被执行。执行完一条指令后，未检测到新的START条件，DI、CLK信号不起作用。
　　数据保护　上电时，Vcc未升到14V前，所有操作方式均被禁止。掉电时，一旦Vcc低于14V，源数据保护电路启动，所有操作方式均被禁止。芯片上电时自动进入擦写禁止状态，保护芯片不被误擦写。
　　EWEN命令也可以防止误擦写，详见擦写禁止和擦写使能。
　　读操作READ　当CS为高电平时，芯片在收到读命令和地址后，从DO端串行输出指定单元的内容(高位在前)。
　　写操作WRITE　当CS为高电平时，芯片收到写命令和地址后，从DI端接收串行输入16位或8位数据(高位在前)。在下一个时钟上升沿到来前将CS端置为“0”(低电平保持时间不小于250ns)，再将CS恢复为“1”，写操作启动。此时DO端由“1”变成“0”，表示芯片处于写操作的“忙”状态。芯片在写入数据前，会自动擦除待写入单元的内容，当写操作完成后，DO端变成“1”，表示芯片处于“准备好”状态，可以接受新命令。
　　擦写禁止和擦写使能(EWDS/EWEN)　芯片收到EWDS命令后进入擦写禁止状态，不允许对芯片进行任何擦或写操作，芯片上电时自动进入擦写禁止状态。此时，若想对芯片进行擦写操作，必须先发EWEN命令，因而防止了干扰或其它原因引起的误操作。芯片接受到EWEN命令后，进入擦写允许状态，允许对芯片进行擦或写操作。读READ命令不受EWDS和EWEN的影响。
　　擦除、片擦除、片写入操作(ERASE/ERAL/WRAL)　擦除ERASE指令擦除指定地址的内容，擦除后该地址的内容为“1”；片擦除ERAL指令擦除整个芯片的内容，擦除后芯片所有地址的内容均为“1”；片写WRAL命令将特定内容整片写入。片擦除和片写入时，在接受完命令和数据，CS从“1”变成“0”再恢复为“1”(低电平保持时间不小于250ns)后，片擦除或片写入启动，擦除、写入均为自动定时方式。自动定时方式下不需要CLK时钟。
　　93AA46与单片机的接口电路及数据传输程序此处不再一一写出
　　三、SPI总线型
　　SPI(Serial Peripheral Interface)总线，即“串行外围设备接口总线”。Microchip公司的25XX系列串行E2PROM采用简单的SPI兼容串行总线结构，用时钟(SCK)、数据输??SI)、数据输出(SO)三根线进行数据传输，片选信号(CS)控制器件的选通。当今流行的带SPI口的微控制器，如Microchip公司的PIC16C6X/7X微控制器等，均可与25AA040直接接口。片内无SPI口的微控制器，也可用普通I/O口通过软件编程的方式实现与25XX040间的接口。25XX系列采用先进的CMOS技术，是理想的低功耗非易失性存储器器件。
　　25XX系列串行E2PROM存储容量从4k位(512×8)至64k位(8k×8)，附图是25AA040型4k位SPI总线串行E2PROM的引脚图。
　　1引脚说明
　　CS是片选输入脚，低电平有效。CS端为高电平，25AA040处于休眠状态。CS的变化不影响已经初始化或正在处理的编程的完成。也就是说若在一个编程周期启动后，CS由低变高，25AA040将在该编程周期完成后立即进入休眠状态。一旦CS为高电平，SO引脚立即变成高阻态，允许多器件共用SPI总线。在有效的写入序列输入后CS端由低转高，启动对内部的写序列。上电后，CS端要先加低电平对所有操作序列初始化。
　　SCK是同步时钟输入脚。来自SI脚的地址或数据在SCK的上升沿被锁存，SO脚的数据在SCK的下降沿时输出。
　　SI是串行数据输入脚，接受来自单片机的命令、地址和数据。
　　SO是串行数据输出脚，在读周期，输出E2PROM存储器的数据??BR>　　WP是写保护输入脚。WP为低电平时禁止对存储阵列或状态寄存器的写操作，其它操作功能正常；WP为高电平，非易失性写在内的所有功能都正常。任何时候将WP置为低电平都将复位写允许锁存器。若一次内部写已经开始，WP置成低电平不影响这次写。
　　HOLD是保持输入脚，低电平有效，用于在数据传送中途暂停向25AA040传送。不用暂停功能时，HOLD必须保持高电平。芯片被选中，正在串行传送时，可将HOLD置为低电平，暂停进一步的传送。方法是在SCK为低电平时，将HOLD引脚变成低电平，不然在下一个SCK由高转低前不能暂停传送。此间，CS必须保持低电平。25AA040处于暂停时，SI、SO、SCK脚均为高阻态。要恢复串行传送，必须在SCK为低电平时将HOLD置为高电平。任何时候只要HOLD为低电平，SO脚将处于高阻态。
　　2工作原理
　　25XX040片内有一个8位指令寄存器，指令通过SI脚接收，在SCK的上升沿串行输入。指令输入时，CS脚必须为低电平，HOLD脚必须为高电平。WP必须保持高电平，允许写存储器阵列。
　　表1是25XX040的指令集，指令字节中包含地址位A8，传输时最高位在前，最低位在后。
　　表1

 

　　CS置为低电平后SCK的第一个上升沿开始数据采样。如果与SPI总线上的其它外围器件共用SCK，可改变HOLD引脚电平将25AA040设置成“保持”方式。释放HOLD后，再从HOLD信号确认处继续传送。
　　·读序列
　　CS降至低电平25AA040被选中。包括A8地址在内的8位读指令被传送到25AA040，接着是低8位地址(A7～A0)。在接收到正确的读指令及低8位地址后，选定地址的内容由SO口串行输出。而下一地址单元的内容将随着时钟脉冲继续输出。每当一个字节的数据传送完毕，25AA040片内的地址指针自动加1，指向下一个地址。当最高位地址(01FFH)内容读出后，地址指针指向0000H，下一个读出周期将继续。CS脚转为高电平读操作终止。
　　·写序列
　　在着手向25AA040写数据之前，必须先发出WREN指令，置位写允许锁存器，其操作为：先将CS置为低电平，然后按时钟节拍将WREN指令送至25AA040，当指令的8位数全部传送完毕后，再将CS端置为高电平置位写允许锁存器。发出WREN指令后未将CS端置为高电平前，写允许锁存器并没有置位，向25AA040传送的数据将不会被写入存储器阵列。
　　写允许锁存器置位后，再将CS端置为低电平，发出包括A8地址在内的8位写指令及低8位地址(A7～A0)，然后送要写入的数据。一次写序列最多可以连续写16个字节的数据，且所有要写入的数据的地址必须在同一页。一页的首址为XXXX 0000，末址为XXXX 1111。若内部地址计数器已到XXXX 1111，时钟仍在继续，内部地址计数器将重新指向该页的首址XXXX 0000，原写入到该地址的内容就会被覆盖。
　　为将数据真正写入到25AA040中，须在字节写入或页写入数据的第n个字节的最后一个有效位(D0)送出后将CS置为高电平。若在此外的其它时间将CS置为高电平，写操作就不能完成。在写操作进行时，可以读状态寄存器来检查WIP、WEL、BP1和BP0位的状态。在写周期内是不可能读存储器阵列位置的。一旦写周期完成，写允许锁存器也就被复位了。
　　·写允许(WREN)和写禁止(WRDI)
　　25AA040片内有一个写允许锁存器。表2为写保护功能表。在任何写操作将完成之前必须立即置位写允许锁存器。写允许锁存器由WREN指令置位，由WRDI指令复位。
　　表2

　　满足以下条件之一，写允许锁存器将被复位：
　　1)上电；2)WRDI指令成功地执行；3)WRSR指令成功地执行；4)WRITE指令成功地执行；5)WP引脚为低电平。
　　·状态寄存器读(RDSR)
　　RDSR指令读状态寄存器。状态寄存器可在任何时候读出。状态寄存器的格式如下：
　　　7　  6　 5　 4　3  　 2　  1  　 0
　　　X　X　X　X   BP1  BP0  WEL  WIP
　　其中，写入保护位(WIP)指示25AA040是否正忙于写入操作，是只读位。WIP为“1”，表示写入正在进行；WIP为“0”，表示未进行写入操作。
　　写允许锁存器状态位(WEL)指示写允许锁存器的状态，是只读位。WEL为“1”，允许写阵列；WEL为“0”，锁存器禁止写阵列。WEL位的状态由执行WREN或WRDI指令确定，与状态寄存器是否写保护无关。
　　块保护位(BP0和BP1)指示当前保护的块地址。块保护地址由用户发出的WRSR指令设定。一旦该块地址的内容被保护，就只能读出而不能写入。
　　·状态寄存器写(WRSR)
　　WRSR指令允许用户通过写状态寄存器BP1、BP0位的方法选择对存储器的保护区，BP0、BP1与块保护地址的关系见表3。
　　表3

　　·数据保护
　　25AA040采取用多种措施保证存储器阵列不被误写入。1)上电时复位写允许锁存器；2)必须发出写允许指令方可置位写允许锁存器；3)在单字节写入、页写入或状态寄存器写入后，写允许锁存器被复位；4)对芯片写入时，在接收了定数量的时钟周期之后，必须将CS端置为高电平，芯片内部的写周期才开始；5)在内部写周期期间，对存储器阵列的存取无效；6)WP引脚为高电平时，复位写允许锁存器。
　　·芯片上电时的状态
　　25AA040上电时的状态如下：器件处于低功耗待机方式(CS=1)；写允许锁存器被复位；SO引脚为高阻态；必须将CS引脚置为低电平方可进入工作状态。