8.2.2.2. Послідовні eeprom

Серед мікросхем пам’яті все більшою популярністю користуються мікросхеми з послідовним протоколом запису та зчитування даних. Це мікросхеми з двохпровідною шиною типу ІІС (I²C) та з трьохпровідною шиною типу MICROWARE (SPI).

Табл. 8.8

Шина І2С			Шина Microware (SPI)
Типи мікросхем, фірми		Організація	Типи мікросхем, фірми		Організація
ATMEL	MICROCHIP		ATMEL	MICROCHIP
24C01	85C72 24C01A 24LC01		93C06		16 × 6
24C02 24LLC02	24C02	256 × 8	93C46	93C46 93LC46	64 × 16
24C04A 24LC04	24C04	2 × 256 × 8	93C46	93LC46	128 × 8
	24C08	4 × 256 × 8	93C56	93C56	128 × 16
24C16 24LC16	24C16	8 × 256 × 8	93C56	93C56 93LC56	256 × 8
			93C66	93C66 93LC66	256 × 16

У Табл. 8.8 приведені деякі типи мікросхем, що виготовляються фірмами AMEL та MICROCHIP.

Розглянемо більш детально особливості архітектур і організації обміну інформації в мікросхемах з різними типами шин.

Умовне позначення мікросхем з шиною I²C (AT24C) приведені на рис. 6.17.

Рис. 6.17

Призначення виводів приведено у Табл. 6.9.

Табл. 8.9

Назва виводу	Призначення
А0 … А2	Address Inputs (адресні входи)
SDA	Serial Data (дані в послідовному форматі)
SCL	Serial Clock Input (вхід тактового годинника)
WP	Write Protect (захист від запису)

Блок-схема мікросхеми приводиться на рис. 8.18.

Рис. 8.18

У доповнення до вже відомих блоків (матриці пам’яті, дешифраторів), маємо ряд допоміжних, які забезпечують описані нижче протоколи обміну інформації у послідовному форматі через вхід SDA.

Старт-стопна логіка (START STOP LOGIC) призначена для формування сигналів початку й кінця обміну в залежності від характеру обміну.

Компаратор вхідної адреси (DEVICE ADDRESS COMPARATOR) порівнює молодші розряди адресного коду вибору мікросхеми з внутрішнім кодом. Якщо коди співпадають, то мікросхема генерує сигнал підтвердження низького рівня на вході SDA за допомогою блоку логіки вихідних сигналів. Якщо ж коди не співпадають, то вона переходить у режим енергозбереження.

Лічильник слова даних і адреси (DATA WORD ADDR / COUNTER) виконує функцію генератора внутрішніх адресів даних при посторінковій формі запису та зчитуванні.

SCL – вхід використовується як для забезпечення синхронізації, так і для визначення напряму передачі даних по шині SDA. За фронтом сигналу дані записуються в мікросхему пам’яті, а за зрізом – читаються.

Вхід SDA використовується для двонаправленої передачі даних. Цей вихід з відкритим стоком може використовуватися для з’єднання декількох мікросхем за схемою монтажного АБО.

Взаємодія між сигналами на входах SCL і SDA забезпечує всі основні режими роботи мікросхеми пам’яті.

Прийом і передача даних по входу SDA забезпечується лише при умові, що на вході SCL маємо сигнал низького рівня (рис. 8.19, а, інтервал часу t₂ … t₃). Більш точно умова початку обміну інформацією пояснюється на рис. 8.19, б, тобто перехід сигналу з високого рівня в низький на вході SDA при підтримці високого рівня на вході SCL забезпечує умови початку обміну (інтервал часу t₅ … t₆).

Умова закінчення обміну забезпечується переходом з низького рівня на високий на вході SDA при підтримці високого рівня на вході SCL (інтервал часу t₇ … t₈).

WP – вхід, що дозволяє захищати дані. При WP = 0 мікросхема працює у режимі запису / читання. Якщо ж WP = 1, то перезапис інформації неможливий.

При обміні інформацією вслід за умовою початку обміну передається байт адресного коду. Адресний код містить у собі незмінну частину в чотирьох старших бітах, як зображено на рис. 8.20, однакову для мікросхем ємністю від 1K до 16K. Наступними 3 бітами можуть бути адреси, за якими розпізнається мікросхема шляхом порівняння з внутрішнім кодом або адреси сторінок пам’яті в EEPROM.

	7	6	5	4	3	2	1	0
1K/2K	1	0	1	0	A2	A1	A0	R/W
4K	1	0	1	0	A2	A1	P0	R/W
8K	1	0	1	0	A2	P1	P0	R/W
16K	1	0	1	0	P2	P1	P0	R/W

Рис. 8.20

Наймолодший біт адресного коду визначає тип операції, що виконується над операндом, який поступає вслід за адресою його розміщення. Це операції запису або читання (високий рівень – операція читання; низький – запис). Якщо адресний код прийнятий мікросхемою пам’яті, то EEPROM видає на 9-му такті сигнал низького рівня як сигнал підтвердження; якщо ж адресний код не співпадає, то вона переходить у режим енергозбереження.

Для виконання операції запису необхідно вслід за кодом адреси вибору мікросхеми, отримавши низькорівневий сигнал підтвердження, відправити адресу розміщення слова даних. На рис. 8.21 приводиться послідовність сигналів, що має шина (лінія) SDA.

Рис. 8.21

Запис даних у послідовних EEPROM фірми ATMEL може виконуватися сторінками. Сторінки в EEPROM з ємністю 1K; 2K мають розмір 8 байт, а в мікросхемах з ємністю 4K; 8K; 16K – відповідно, 16 байт.

Послідовність запису сторінки мало чим відрізняється від послідовності запису одного байта. Різниця полягає у тому, що по завершені передачі слова мікроконтролер не передає стоповий сигнал, а, отримавши сигнал підтвердження (9-й такт), повинен передати послідовно чергові 7 сигналів (для 1K; 2K) або 15 (для 4K; 8K; 16K). Відповідно, що після отримання кожного слова EEPROM генерує на 9-му такті сигнал підтвердження (див. рис. 8.21). Під час запису сторінки адреси розміщення байтів сторінки формуються шляхом інкрементування нижніх трьох розрядів адреси слова даних для EEPROM з ємністю 1K; 2K і чотирьох розрядів для мікросхем з ємністю 4K; 8K; 16K. Формування внутрішніх адрес таким шляхом забезпечується внутрішнім лічильником (див. блок-схему рис. 8.18). Якщо більш ніж 8 (16) слів будуть подаватися при записі, то адреси циклічно повторюватимуться, перезаписуючи попередні дані.

Операція читання близька до операції запису з тією лише різницею, що в молодшому біті адреси мікросхеми стоятиме не “0”, а “1”.

У практиці використання мікросхем пам’яті мають місце три способи зчитування даних: читання за поточною адресою; послідовне зчитування; зчитування за довільною адресою.

Внутрішній лічильник формує адреси даних по черзі їх читання шляхом інкрементування на одиницю. Ці адреси залишаються активними між операціями зчитування. “Прокручування” адрес при читанні має місце від останнього байта останньої сторінки до першого байта першої сторінки; а при операції запису – з останнього байта поточної сторінки до першого байта тієї ж сторінки.

На рис. 8.22 приводиться послідовність сигналів на вході SDA при зчитуванні даних з поточної адреси.

Рис. 8.22

Після прийому байту адреси мікросхеми з високим рівнем нульового біту йде сигнал підтвердження на 9-му такті, після чого послідовно зчитується байт даних. Після зчитування на 9-му такті сигнал підтвердження низького рівня не з’являється, а контролер повинен сформувати сигнал завершення обміну.

При довільному зчитуванні необхідно спочатку сформувати холостий блок сигналів з сигналом запису за заданою адресою. Послідовність сигналів на SDA приводиться на рис. 8.23.

Рис. 8.23

Після отримання сигналу підтвердження контролер повинен знову згенерувати умову початку обміну “старт”, повторити адресу мікросхеми з умовою зчитування і після підтвердження прийняти байт даних. Мікросхема пам’яті після зчитування не генерує сигнал підтвердження, а контролер генерує сигнал кінця обміну “стоп”.

При послідовному зчитуванні контролером спочатку ініціюється початкова адреса послідовності, яка зчитується, по одному з вище описаних способів. Після отримання адресного слова контролер формує сигнал підтвердження, після чого в EEPROM лічильник генерує наступну адресу, за якою зчитуватиметься наступне слово. Після цього контролер знову генерує сигнал підтвердження до того часу, доки мікросхема не подасть сигналу підтвердження на черговому 9-му такті, а на наступному такті сформує сигнал завершення обміну “стоп”. Послідовність сигналів на лінії SDA приводиться на рис. 8.24.

Рис. 8.24

Мікросхеми пам’яті AT24C01…AT24C16 орієнтовані на роботу з контролерами AT28CX051, для яких розроблене програмне забезпечення, що взаємодіє з розглянутими EEPROM.

Функціональна схема побудови модуля пам’яті з використанням мікросхем AT24C01A приводиться на рис. 8.25. Адресні входи A₀ … A₂ використовуються для апаратного запису адреси кожної мікросхеми, які розподіляються в діапазоні значень 000…111.

Рис. 8.25

Шина обміну має два провідники, до яких паралельно приєднані виводи SDA і SCL. Порядок взаємодії між сигналами на цих провідниках і їх послідовність, що називається протоколом обміну, задається контролером, до якого і приєднуються виводи шини.