I2C接口的EEPROM的原理与使用

E²PROM也是采用浮栅技术生产的可编程存储器，构成存储单元的MOS管的结构如图1所示。它与叠栅MOS管的不同之处在于浮栅延长区与漏区之间的交叠处有一个厚度约为80埃（埃是一个单位，Angstrom，1   = 0.1 纳米）的薄绝缘层，当漏极接地，控制栅加上足够高的电压时，交叠区将产生一个很强的电场，在强电场的作用下，电子通过绝缘层到达浮栅，使浮栅带负电荷。这一现象称为“隧道效应”，因此，该MOS管也称为隧道MOS管。相反，当控制栅接地，漏极加一正电压，则产生与上述相反的过程，即浮栅放电。与SIMOS管相比，隧道MOS管也是利用浮栅是否积累有负电荷来存储二值数据的，不同的是隧道MOS管是利用电擦除的，并且擦除的速度要快得多。

E²PROM电擦除的过程就是改写过程，它是以字为单位进行的。E²PROM具有ROM的非易失性，又具备类似RAM的功能，可以随时改写（可重复擦写100万次）。目前，大多数E²PROM芯片内部都备有升压电路。因此，只需提供单电源供电，便可进行读、擦除/写操作，为数字系统的设计和在线调试提供了极大的方便。

图1 E²PROM的基本结构

1. I²C接口的E²PROM

目前E²PROM的接口主要有两种，分别为I²C接口和SPI接口。图2是512K I²C接口的串行EEPROM24LC512。

图2

图3

图3以平面的方式显示了E²PROM的封装形式。型号24LC512中“L”表示低电压系列，一般指供电电压3.3V，C表示表示CMOS工艺。A0、A1、A2是E²PROM的器件地址选择线，主要用于芯片的扩展，000表示器件地址为0，001表示器件地址为1，最多可以扩展8个芯片。因此在读写命令时应注意芯片的命令地址与外部地址的匹配。

SCL，SDA为漏极开路的I²C接口，因此在使用时需外接上拉电阻。一般外接4.7K，如果扩展的芯片较多，可以外接3.3k或2.2K提高上拉效果。

（*上拉电阻，一般指电阻越小上拉能力越强，因此经常会说小电阻的上拉为强上拉，高阻值的上拉电阻为弱上拉）．

2. I²C接口的硬件电路设计：

如图4所示，左边为FPGA/MCU， 右边为I²C接口的E²PROM，GPIO0-GPIO2用于芯片的扩展时选择对应的芯片，当有多个芯片通过I²C接口并联使用时，只有外部地址与I²C的读写地址匹配时，芯片才会应答，否则不应答。这样就可以把当前的读写使用权释放给其它芯片。

图4

3. I²C基本知识：

I²C总线在硬件连接上非常简单，是2线制的互联系统；时钟线为SCL，数据线为SDA。

I²C总线的读写速度分为：标准模式100K，快速模式400K，高速模式1M，超高速模式3.4M。因此在使用I²C总线时应注意对应芯片I²C接口的速度等级。I²C的地址用7位2进制数表示范围0-127. 因此一个I²C MASTER 总线理论上可以连接128个 SLAVE设备（实际上有些地址分配给特殊指令使用如11111111已经分配给复位指令， 所以连接不到128个设备）。在外部总线连接时SDA与SCL都需要上拉电阻。如图4，相关内容请阅读I²C接口与协议部分内容。

 

图4是标准的MCU与I²C接口的E²PROM的硬件电路设计结构，GPIO0-2用于选择串行E²PROM的芯片，与I²C在读写命令中的地址匹配。因此可以实现多片E²PROM的扩展。本例中最多可以实现8片的扩展。例：当选择的芯片是24C02时，A2、A1、A0根据芯片的硬件地址选择000-111。当芯片为24C04时，只有A2、A1可以编程，A0设为0。当芯片的型号为24C16时，A2、A1、A0都不可编程，设为000。如图5所示，

图5

I²C E²PROM的写时序，遵循I²C总线协议：

Start：在空闲（IDLE）状态（SDA，SCL都为高电平），SDA 由高到低转换。见图6

设备地址：I²C E²PROM的设备地址一般为0x50-0x57，即101_0000到101_0111.

左移一位，并在右边拼接读写控制形成一个8位的字节。如读为1010_0001（16’hA1），写为1010_0000（16’hA0）

I²C的发送总是由高位到低位顺序进行

应答ACK（Acknoledgement），在应答之前SDA应置为高阻状态，等待应答（低电平表示有应答）。并且应设置超时等待状态

图 6 I²C串行E²PROM的字节写控制

图7 I²C串行E²PROM的页写控制

4. 地址写入：

根据不同的E²PROM的容量地址为8位或16位，8位的寻址范围0-255共256字节，地址写入从高到底。如AT2401、2402、2404、2408、2416等。16位寻址范围0-65535，最大可以到64K字节。更大容量的寻址如AT24CM02，将高位地址线放在芯片（device）的命令码中。

应答（ACK），SDA设为高阻，等待应答。

DATA，根据命令中给定的读或写，决定数据流向。数据写或读又分为字节读写和页读写两种。

图8 I²C串行E²PROM的字节写控制

 

图 9 I²C 串行E²PROM的读写时序

停止（STOP），在SCL为高电平的条件下，SDA由低到高，I²C操作停止，进入空闲状态（IDLE）

WP提供芯片写保护，在高电平时禁止芯片写入，在低电平时开放写操作，因此图10的电路中WP接地实现E²PROM正常的读写操作。在设计中也可以连接到MCU或FPGA的GPIO上实现可编程的写保护控制。

特殊大容量AT24CM02 的扩展及地址寻址如图11所示。如果使用该芯片，建议仔细阅读该芯片的数据手册。

图10 I²C串行E²PROM扩展示意图

 

图 11 I²C串行E²PROM  AT24CM02 的寻址方式

5. 编程时间间隔：

I²C在写入时，先把要编程的数据写到E²PROM内部的缓冲区，当I²C的操作结束后才会真正实现E²PROM内部编程，一般编程时间约为5 ms。因此前后两次编程时间间隔最低要保持5 ms左右的时间。

• 按页（page）写：

由于两次编程时间间隔5ms左右，严重影响了编程速度，因此I²C结构的EEPROM，提供了按页写入的方式。如图12，当地址写入并正确应答后，开始写入编程数据，和按字节写入不同，当一个字节写入完成后，写操作并没有停止，而是继续下一个字节的写入操作，直到一页完成，之后I²C进入IDLE状态，E²PROM启动内部编程，大约也是5ms左右。页的大小有8字节，16字节，32字节，64字节/页几种。8字节的页，一次写入最多8个字节，64字节/页，一次可以写入64个字节。由于采用页写入的方式，大大提高串行E²PROM的编程速度。

图12 页写入顺序及应答

6. I²C E²PROM的读时序：

当前地址读：对当前地址进行操作不需要有写地址的操作，给出读命令，后紧跟就是当前地址对应的数据输出。如图13所示.

图13 I²C串行E²PROM当前地址读

• 随机地址读：

由于随机地址读，就要有一个写入地址的过程，然后跟着读操作。如图14所示，无论当前地址读还是随机地址读，在DATA之后的应答阶段只要MASTER（MCU或FPGA）没有给出应答，在延时一个bit的时间间隔后就退出读过程.

图 14 I²C串行E²PROM随机地址读

• 顺序读：

无论当前地址读还是随机地址读，在每个DATA n之后，MASTER给出应答，就可以连续读下一个字节的数据 DATA n+1….,在最后一个DATA读出之后的应答阶段MASTER没有给出低电平应答，就会进入STOP，停止读过程，如图15所示,

图15 I²C串行E²PROM顺序读

 

对应视频：

• I2C接口的EEPROM的原理与使用–视频教程-1
• I2C接口的EEPROM的原理与使用–视频教程-2