Microchip SPI 串行EEPROM 器件的建议用法 01040a_cn.pdf

2006 Microchip Technology Inc DS01040A CN 第 1 页 AN1040 简介简介 大多数嵌入式控制系统都需要非易失性存储器 由于其 外形小巧 提供字节级灵活性 I O 引脚要求低 低功 耗和低成本等特点 串行 EEPROM 成为非易失性存储 器 广 受 欢 迎 的 选 择 针 对 这 种 需 求 Microchip Technology 提供了完整的串行 EEPROM 产品线 产品 线涵盖双线 I2C 三线 Microwire 和 SPI 通信 等业界标准串行通信协议 提供的串行 EEPROM 器件 有多种密度 工作电压范围和封装形式 为了在使用串行 EEPROM 时实现高度健壮的应用 设 计人员除了考虑数据手册规范之外 还必须考虑更多的 因素 有一些条件会潜在地导致非标准操作 这些条件的细节 很大程度上取决于所使用的串行协议 本应用笔记提供有关使用Microchip SPI串行EEPROM 的帮助和指南 这些建议并不是必需的 但是 采用这 些建议有助于实现更健壮的总体设计 本文档中讨论了 以下主题 输入注意事项 写保护功能 电源 写使能和禁止 WIP 查询 提高数据吞吐量 图 1 展示了使用 Microchip SPI 串行 EEPROM 的建议 连接方式 在后面的几节中将说明这些连接的依据 图图 1 25XXXX 系列器件的建议连接方式系列器件的建议连接方式 作者 Chris Parris Microchip Technology Inc 注注 CS SO WP VSS VCC HOLD SCK SI 1 2 3 4 8 7 6 5 VCC 25XXXXX 至主器件 1 VCC上应使用一个去耦电容 通常为 0 1 F 1 至主器件 VCC Microchip SPI 串行串行 EEPROM 器件的建议用法器件的建议用法 AN1040 DS01040A CN 第 2 页 2006 Microchip Technology Inc 输入注意事项输入注意事项 将输入引脚保持悬空从来不是一种好的做法 这样做会 导致待机电流变得很高和功能不正常 如果引脚保持悬 空 则它悬空时既可能为低电平 也可能为高电平 信 号朝哪个方向变化取决于很多因素 包括系统中的噪声 和容性耦合 因此 输入电路的输入电平相对来说比较 随机 在运行中很可能会改变 这种不可预测的输入电平可能会对器件运行造成破坏性 影响 例如 Microchip 的 SPI 串行 EEPROM 有一个 HOLD 引脚 它允许用户在流程中途暂停时钟 如果该 引脚在悬空时为低电平 有效 器件将不再对接收到 的任何时钟脉冲作出反应 因而通信将中断 因此 任何未用输入引脚都应固定为正确的电平 例如 将低电平有效的输入引脚固定为高电平 而且 如果单 片机还有三态 I O 引脚 建议将这些未使用输入引脚与 下拉 上拉电阻相连 如图 1 所示 这样 日后要使用 这些输入引脚时 只需修改固件即可 尽管正常运行中 CS 引脚应始终由单片机驱动 但在 掉电 上电期间它可能会悬空 因此 该引脚同样应连 接上拉电阻 以避免在这些条件下由于噪声而产生意外 命令 写保护功能写保护功能 Microchip的SPI串行EEPROM系列器件有两种不同的 写保护机制 一种用于 4 Kb 及更小的器件 另一种用 于 8 Kb 及更大的器件 对于 25XX010A 至 25XX040A WP 引脚用作标准的硬 件写保护引脚 也就是说 如果 WP 引脚为低电平 有 效 写使能锁存器 WEL 将被清零 并且只有在该 引脚升为高电平 无效 之后才能置 1 这意味着对阵 列或 STATUS 寄存器的任何写操作都会被阻止 请注 意 将 WP 引脚升为高电平并不会将 WEL 重新置 1 要 重新将 WEL 置 1 需要另外执行一条 WREN 指令 对于 25XX080A B 及以上器件 WP 引脚和 STATUS 寄 存器中的写保护使能 WPEN 位相互配合发挥作用 如果 WPEN 位被清零 WP 引脚成为无关引脚 如果 WPEN 位置 1 WP 引脚可用于阻止对 STATUS 寄存器 进行写操作 请注意 对于这些器件 无论 WPEN 位状 态如何 WP 引脚对阵列写都没有影响 只有块保护 Block Protect BP 位可以阻止对这些器件上的阵列 进行写操作 但是一旦 BP 位置 1 就可使用 WP 引脚 和WPEN位来阻止将它们清零 从而阻止对阵列的写操 作 电源电源 电源处在正常工作水平内时 Microchip 串行 EEPROM 提供大量防止意外写操作和数据损坏的保护 但是 设 计人员应该考虑到上电和断电条件 以确保电源不处于 正常工作水平内时 也具有相同水平的保护 如图 1 中所示 应使用去耦合电容 通常为 0 1 F 来 帮助滤除 VCC上的小纹波 上电上电 在上电时 VCC应该总是从 0V 开始 并直接上升到正 常工作水平 以确保正确的上电复位 VCC不应滞留 在不确定的电平 即低于最小工作电压 欠压情形欠压情形 Microchip 串行 EEPROM 具有欠压复位电路 可提供额 外的保护 但是 如果 VCC降到串行 EEPROM 的最小 工作电压以下 则建议在 VCC恢复到正常工作电压前 先将它完全降到 0V 这有助于确保器件的正确复位 此外 如果单片机欠压复位的门限电压高于串行 EEPROM 则将 VCC降到 0V 可以使两个器件一起复 位 否 则 单 片 机 可 能 会 在 通 信 过 程 中 复 位 而 EEPROM 保持其当前状态 在这种情况下 开始进一 步通信之前 需要先执行软件复位序列 写周期中的电源故障写周期中的电源故障 在整个写周期内 对于大多数器件而言 通常最大为 5 ms 必须将 VCC维持在最小工作电压以上 如果 VCC在任何时候降到最小电压以下 无论时间长短 均 无法确保数据完整性 这将导致编程数据可能不正确 此外 由于无法对 EEPROM 单元进行完全编程 器件 的数据保留时间会比数据手册中规定的时间短 2006 Microchip Technology Inc DS01040A CN 第 3 页 AN1040 写使能和禁止写使能和禁止 Microchip SPI 串行 EEPROM 有一个写使能锁存器 WEL 是 STATUS 寄存器的 bit 1 该锁存用于允许 对阵列或 STATUS 寄存器进行写操作 设置为 1 时 将 使能写操作 设置为 0 时 将阻止所有写操作 WEL 只 能通过发出有效的写使能 WREN 指令置 1 但可以在 许多情况下复位 上电延时 成功执行了写禁止 WRDI 指令 成功执行了写 STATUS 寄存器 WRSR 指令 成功执行了写指令 同时对于 25XX010A 至 25XX040A WP 引脚拉为低电平 有效 请注意 对于写指令 WRSR 和 WRDI 只有成功执行指 令时才会将 WEL 复位 这意味着如果出于某种原因指 令无效 WEL 将不会被复位 例如 如果在受块保护 BP 位保护的阵列区域尝试写操作 则该指令将失 败 WEL 将保持置 1 对于写指令和 WRSR 指令 WEL 在写周期结束时清零 强烈建议只在即将发出写指令或WRSR指令前才将WEL 置 1 以尽可能减少发生意外写操作的机会 WIP 查询查询 串行 EEPROM 上的写操作要求在启动写操作后遵守写 周期时间 使器件有时间存储数据 在此期间 正常器 件操作将被禁止 主器件对器件存储器阵列的所有访问 尝试都将被忽略 因此 主器件应等待写周期结束后再 尝试访问 EEPROM 这一点很重要 每个器件都有规定的最坏情况写周期时间 通常列为 TWC 确保遵守写周期时间的一种简单方法是 在再次 访问 EEPROM 之前执行规定时长的延时 但是 器件 在短于最大规定时间内完成写周期是很寻常的事 因 而 用前面所述的延时方法会使 EEPROM 完成写操作 后的一段时间内主器件仍在等待 为了消除这段额外的时间 从而使运行更高效 强烈建 议利用 WIP 查询功能 在阵列写和 STATUS 寄存器写操作期间 Microchip 的 SPI 串行 EEPROM 中的 STATUS 寄存器仍可读 这样 就允许用户检查写进行 Write In Progress WIP 位 的状态 这是一个只读位 只在写操作进行中时置 1 操作完成时 WIP 及 WEL 会立即清零 因此 可 以持续地读 STATUS 寄存器来监视 WIP 位的值 确定 写周期何时完成 步骤步骤 一旦 CS 在写指令结束后拉为高电平 器件将启动内部 定时的写周期 WIP 查询可立即开始 这包括执行读 STATUS 寄存器 RDSR 指令 及检查 WIP 位的读取 值 如果是高电平 说明器件仍在进行写操作 如果是 低电平 说明写周期已完成 主器件可继续执行下一条 指令 详见图 2 图图 2 WIP 查询流程查询流程 执行 写指令 将 CS 拉为 高电平以启动 写周期 执行 RDSR 写操作 是否完成 WIP 0 下一 操作 否 是 指令 AN1040 DS01040A CN 第 4 页 2006 Microchip Technology Inc 提高数据吞吐量提高数据吞吐量 页写页写 所有Microchip SPI串行EEPROM都有供写操作期间使 用的页面缓冲器 这使用户可以在单个操作中写入任意 数量的字节 从 1 个字节到最大页面大小 在写入大 量字节时 该功能可显著缩短写入总时间 无论实际写入的字节数如何 页写操作仅限于在单个物 理页面内写入数据 这是因为存储器阵列实际上是以二 维阵列的方式存储的 如图 3 中所示 当在写操作开始 时给出字地址时 将同时设置行地址指针和列地址指 针 行地址指针选择访问哪一行或哪一页 而列地址指 针选择首先访问选定页的哪个字节 每发送一个数据字 节 列地址指针都自动加 1 但是 在写操作期间 页 地址指针不递增 这意味着如果在页写入操作期间尝试 跨过页边界 会导致数据跳回到该页的开始处 请注意 物理页边界的起始地址位于页面大小的整倍数 处 例如 25XX256 的具有 64 字节的页面大小 这意 味着器件上的物理页从 0 x0000 0 x0040 0 x0080 等地 址处开始 图图 3 页面缓冲器框图 页面缓冲器框图 步骤步骤 通过发出 WREN 命令使能写操作后 页写操作的写指 令 字地址和第一个数据字节传送到器件的方法与字节 写操作相同 但是主器件不会将 CS 变为高电平 而是 继续传送更多临时存储在片上页面缓冲器中的数据字 节 最多可达器件的最大页面大小 小心不要写满返回 到页面起始处 与字节写操作相同 一旦 CS 翻转为 高电平 内部写周期就将开始 写周期期间会将存储在 页面缓冲器中的所有字节写入 写入时间比较写入时间比较 为了精确计算将特定量的数据写入器件所需的全部时 间 必须考虑以下两个方面 装载时间装载时间是完成所有总线操作所需的时间量 这包 括所有与 CS 相关的时序 发出必需的 WREN 指 令 以及传送写指令 地址和数据字节 这个时间 量取决于总线时钟速度 写入的数据字节数 以及 特定器件的寻址方式 一些器件使用单字节寻址 而其他器件使用双字节寻址 列地址指针 字节 0字节 2字节 3字节 n 2字节 1字节 n 3字节 n 1 字节 n 注注 n 等于页面大小 1 页面缓冲器 存储器阵列 行地址指针 2006 Microchip Technology Inc DS01040A CN 第 5 页 AN1040 写周期时间写周期时间是器件执行其内部写周期的时间 如前 一节 WIP 查询 所述 每个器件都有规定的 最大写周期时间 但是 内部写周期通常可以在短 于规定时间内完成 因而 表 1 中提供了最坏情 况 5 ms 和典型情况 3 ms TAMB 25 C 的计算结果 表 1 的值使用以下公式计算 公式公式 1 写入时间公式 表 写入时间公式 表 1 写入时间比较 写入时间比较 从以上示例可以清楚地看到 页写入和WIP查询都可以 显著地节约时间 最坏情况下 频率为 1 MHz 时 将 64字节通过字节写模式写入 25LC256需要大约 320 ms 换为 WIP查询方式可将时间缩短到大约 192 ms 假定为典型情况 减少约 40 此外 换 为页写入方式可进一步将时间缩短到惊人的 3 05 ms 减少幅度超过 98 总的说来 两种技术相结合可节约 的时间超过 317 ms 总数据吞吐量提高了惊人的 105 倍以上 小结小结 本应用笔记展示了在使用Microchip SPI串行EEPROM 时 可用于提高设计健壮性的建议技术 这些建议与 Microchip 设计 制造 检验和测试其串行 EEPROM 的 方式相符 使器件可以在数据手册参数范围内工作 建 议将本应用笔记中详细描述的概念运用于使用SPI串行 EEPROM 的所有系统中 TLOAD 82 addr bytes data bytes FCLK 150 ns TTOTALTLOADTWC write operations 写操作数 地址字节数数据字节数 器件 页面大小 字节 写入的 字节数 写 模式 器件 页面大小 字节 写入的 字节数 写 模式 1 时钟速度 时钟速度 MHz 每次操作的装入 时间 每次操作的装入 时间 s 最坏情况 最坏情况 2 下的 总时间 下的 总时间 ms 典型情况 典型情况 3 下的 总时间 下的 总时间 ms 25LC010A161 字节 132 155 033 03 16 字节 132 1580 5148 51 16 页面 1152 155 153 15 1 字节 103 355 003 00 16 字节 103 3580 0548 05 16 页面 1015 355 023 02 25LC160B321 字节 140 155 043 04 32 字节 140 15161 2897 28 32 页面 1288 155 293 29 1 字节 104 155 003 00 32 字节 104 15160 1396 13 32 页面 1028 955 033 03 25LC256641 字节 140 155 043 04 64 字节 140 15322 57194 57 64 页面 1544 155 543 54 1 字节 104 155 003 00 64 字节 104 15320 27192 27 64 页面 1054 555 053 05 注注1 字节写模式表示在单个写操作期间仅写入 1 个字节 页面写模式表示在单个写操作期间写入整页 2 最坏情况的计算假定使用 5 ms 的定时延迟 3 典型情况的计算假定使用 WIP 查询 典型情况下 TWC 3 ms TAMB 25 C AN1040 DS01040A CN 第 6 页 2006 Microchip Technology Inc 注 注 2006 Microchip Technology Inc DS01040A CN 第 7 页 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含 的英文部分 因为其中提供了有关 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含 的英文部分 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用 情况的有用信息 产品性能和使用 情况的有用信息 Microchip Technology Inc 及其分公司和相 关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的 任何差错不承担任何责任 建议参考 及其分公司和相 关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的 任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc 的英文原版文档 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便 利 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或 暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保 包括但不 限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用 性的声明或担保 对这些信息不作任何明示或 暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保 包括但不 限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用 性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而 引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命 维持和 或生命安全应用 一切风险由买方自负 买方同意在 由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任 并加以赔偿 在 Microchip 知识 产权保护下 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Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操 作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视 为违反了 数字器件千年版权法案 Digital Millennium Copyright Act 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下 能访问您的软 件或其他受版权保护的成果 您有权依据该法案提起诉讼 从而制止这种行为 Microchip 位于美国亚利桑那州Chandler和Tempe 位于俄勒冈州 Gresham及位于加利福尼亚州Mountain View的全球总部 设计中心和 晶圆生产厂均于通过了ISO TS 16949 2002认证 公司在PICmicro 8 位单片机 KEELOQ 跳码器件 串行EEPROM 单片机外设 非易失 性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合ISO TS 16949 2002 此外 Microchip在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001 2000 认证 DS01040A CN 第 8 页 2006 Microchip Technology Inc 美洲美洲 公司总部公司总部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd Chandler AZ 85224 6199 Tel 1 480 792 7200 Fax 1 480 792 7277 技术支持 网址 亚特兰大亚特兰大 Atlanta Alpharetta GA Tel 1 770 640 0034 Fax 1 770 640 0307 波士顿波士顿 Boston Westborough MA Tel 1 774 760 0087 Fax 1 774 760 0088 芝加哥芝加哥 Chicago Itasca IL Tel 1 630 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