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接口標準及SPI EEPROM。
痞子衡之前寫過一篇文章 ，介紹過并行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，它是所有閃存的基礎。1970年，第一款成功的浮柵型器件-EPROM被發明。1979年，大名鼎鼎的SanDisk(閃迪)創始人Eli Harari，發明了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按字節操作。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序存儲器。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，即使最知名的电子行業標準之一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接口命令里顯得尤為明顯。
二、Serial EEPROM原理
2.1 Serial EEPROM分類
從軟件驅動開發角度而言，Serial EEPROM可以從以下幾個方面進一步細分：
地址碼長度：1byte / 2byte / 3byte
通信接口類型：I2C / SPI / Microwire / UNIO Bus / Single-Wire
本文的主要研究對象是SPI接口的EEPROM。
2.2 SPI EEPROM內存模型
EEPROM內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，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#（寫保護）和HOLD#（掛起）。WP#信號主要是從硬件層面上對EEPROM內存進行保護，防止電路上的噪聲干擾篡改了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級的事情。
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接口命令
2.4.1 事實標準
痞子衡在文章開頭的時候講過，SPI EEPROM並沒有什麼成文的接口命令標準，但是各大廠商生產的SPI EEPROM無一例外都支持下錶的6條命令，即READ（讀內存）、WRITE（寫內存）、WREN（寫使能）、WRDI（寫禁止）、RDSR（讀狀態寄存器）、WRSR（寫狀態寄存器），所以從軟件接口層面而言，這6條命令就是SPI EEPROM事實上的接口命令標準。
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錶所示的事實標準的：
不考慮寫保護特性的話，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內存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]則主要與寫保護特性有關，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總線發完READ（0x03）命令后，緊接着要發送想要讀取的內存地址，地址碼不同，發送的地址字節數也不同。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命令后需要發送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個字節的地址碼。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總線速率，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總線速率即可（常見的有2MHz/5MHz/10MHz/20MHz）。
對於寫時序，就稍微複雜一些了，這裏不考慮地址碼區別，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，因為默認EEPROM在執行完上一次寫操作後會恢複寫禁止狀態，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進入寫使能狀態后，開始發送WRITE命令，然後是地址碼，接着是要寫入的數據，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。這裏需要注意的是，WRITE命令後面跟的字節數不能超過要寫入的首地址所在Page剩餘的字節數。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內存空間里，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總線速率，還取決於等待周期時長。
如果想快捷地了解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芯片的廠商及產品系列：
| 廠商 | 芯片系列 | 官方網址 |
|---|---|---|
| Microchip Atmel |
25AA, 25LC AT25 |
|
| ST | M95 | |
| Onsemi | CAT25 | |
| Renesas | R1EX25 | |
| Rohm | BR25A, BR25G, BR25H, BR25S | |
| Fudan Micro | FM25 |
至此，EEPROM接口標準及SPI EEPROM痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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