如何實(shí)現(xiàn)一種EEPROM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)？

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器。是一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片。EEPROM可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。

EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）是用戶可更改的只讀存儲(chǔ)器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候可頻繁地反復(fù)編程，因此EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。

EEPROM是一種特殊形式的閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來擦寫和重編程。我們以SANXIN-B04板卡上的EEPROM為例，向大家介紹一下其驅(qū)動(dòng)方式。EEPROM型號(hào)為24LC64。

從特征中我們可以看出一些信息：

1、兩線串行總線，使用IIC接口協(xié)議。

2、有自擦除/寫循環(huán)時(shí)間。

3、有32字節(jié)頁寫和單字節(jié)寫模式。

4、最大5ms的寫循環(huán)時(shí)間。

知道了以上信息之后，那么我們繼續(xù)往下看手冊(cè)。

在這段描述中，我們可以看出，24LC64是一個(gè)8K*8的一個(gè)存儲(chǔ)器，總共64K bit的容量。因?yàn)榇鎯?chǔ)深度為8K，也就意味著芯片的地址有需要有8K個(gè)，也就是有8192個(gè)，從0開始到8191，那么地址線的位寬就是13位。這也就是我們?cè)趯憰r(shí)序圖中展示的高字節(jié)地址和低字節(jié)地址。此外，芯片的供電范圍是1.8V到5.5V。芯片有頁寫功能，最多可寫32字節(jié)。允許最多有8個(gè)芯片連接到相同的總線上。

管腳及功能介紹：

A0、A1、A2三個(gè)端口為片選輸入，當(dāng)這三個(gè)端口的電平與從機(jī)地址相同時(shí)，該芯片被選中，這些管腳必須接電源或者地。

SDA是一個(gè)雙向總線用于傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)，在SCL為低電平的時(shí)候，正常的數(shù)據(jù)傳輸SDA是允許被改變的，如果在SCL為高電平期間改變就會(huì)被認(rèn)為是開始和停止條件。

SCL為串行時(shí)鐘，用于同步數(shù)據(jù)的傳輸，由主機(jī)發(fā)出。

寫保護(hù)管腳，這個(gè)管腳可以連接地、電源或懸空。如果懸空，這個(gè)管腳上的下拉電阻會(huì)讓芯片保持不被保護(hù)的狀態(tài)。如果連接到了地或者懸空，正常的存儲(chǔ)器操作是有效地，如果連接到了電源，寫操作是禁止的，讀操作不受影響。

在SCL為高電平時(shí)，SDA由高變低被視為開始條件，所有的命令必須在開始條件之后。

在SCL為高電平時(shí)，SDA由低變高被視為停止條件，所有的操作必須以停止條件結(jié)束。

端口介紹完，這里要著重說明一下應(yīng)答信號(hào)。每次接收完8bit數(shù)據(jù)，從機(jī)需要產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)必須產(chǎn)生一個(gè)額外的時(shí)鐘周期伴隨著應(yīng)答信號(hào)。注釋:芯片如果有內(nèi)部循環(huán)在進(jìn)程中的話，是不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)的。在時(shí)鐘為高電平的時(shí)候，芯片的應(yīng)答信號(hào)必須拉低SDA，并且在SCL低電平期間保持穩(wěn)定。

上圖為IIC總線的示意圖，其中開始條件與停止條件在上文已經(jīng)描述過。其次是數(shù)據(jù)的讀寫，在圖中，SCL為高電平時(shí)，地址或應(yīng)答有效，那么我們就在數(shù)據(jù)有效的時(shí)候進(jìn)行采數(shù)；在SCL為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)允許被改變，那么我們發(fā)送數(shù)據(jù)就在此時(shí)間段。

在了解了端口的作用及功能之后，我們做一個(gè)總結(jié)：

1、起始條件：SCL為高電平，SDA由高變低。

2、停止條件：SCL為低電平，SDA由低變高。

3、數(shù)據(jù)接收在SCL高電平期間。

4、數(shù)據(jù)發(fā)送在SCL低電平期間。

5、A0、A1、A2、WP在電路圖中已經(jīng)全部接地，在代碼中我們不需要關(guān)注。

電路圖中可以看出，我們的EEPROM的控制管腳只有SCL和SDA。

設(shè)計(jì)框架

按照上面的框架，完成各部分代碼，最后在此框架的基礎(chǔ)上，再加上數(shù)碼管模塊，用來顯示從EEPROM里面讀出的數(shù)據(jù)。

新建工程：

新建好工程后，新建文件，開始寫代碼，首先是寫模塊。

寫時(shí)序如下圖。

我們以單字節(jié)寫為例，因?yàn)樵趯懙墓こ讨?，沒寫8bit，就要讀一次ACK，所以在此我得做法是，讀模塊只寫8bit的線性序列機(jī)，代碼如下：

?

1   module iic_wr(
2 
3     input   wire        clk,
4     input   wire        rst_n,
5     
6     input   wire        wr_en,
7     input   wire  [7:0] wr_data,
8     
9     output  reg         wr_scl,
10    output  reg         wr_sda,
11    output  wire        wr_done
12  );
13
14    parameter f_clk = 50_000_000;
15    parameter f = 100_000;
16    parameter t = f_clk / f / 4;
17    
18    reg   [11:0]    cnt;
19    
20    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
21    begin
22    if(rst_n == 1'b0)
23      cnt <= 12'd0;
24    else if(wr_en)
25      begin
26      if(cnt == 32 * t - 1)
27        cnt <= 12'd0;
28      else
29        cnt <= cnt + 1'b1;
30      end
31    else
32      cnt <= 12'd0;
33    end
34    
35    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
36    begin
37    if(rst_n == 1'b0)
38      begin
39      wr_scl <= 1'b0;
40      wr_sda <= 1'b0;
41      end
42    else if(wr_en)
43      case(cnt)
44      0         : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[7]; end
45      1 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
46      3 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
47      4 * t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[6]; end
48      5 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
49      7 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
50      8 * t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[5]; end
51      9 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
52      11* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
53      12* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[4]; end
54      13* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
55      15* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
56      16* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[3]; end
57      17* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
58      19* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
59      20* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[2]; end
60      21* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
61      23* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
62      24* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[1]; end
63      25* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
64      27* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
65      28* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[0]; end
66      29* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end
67      31* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end
68      default : ;
69      endcase
70    end 
71    
72    assign wr_done = (cnt == 32 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;
73
74  endmodule

?

在寫模塊中，我們選擇在SCL低電平中心位置發(fā)送數(shù)據(jù)，那么為了方便我們寫線性序列機(jī)，我們將四分之一SCL周期看做是一個(gè)單位時(shí)間T，總共8bit時(shí)間，所以計(jì)數(shù)器需要計(jì)數(shù)32個(gè)T。

讀模塊代碼如下：

?

1   module iic_rd(
2 
3     input   wire          clk,
4     input   wire          rst_n,
5     
6     input   wire          rd_sda,
7     input   wire          rd_en,
8     
9     output  reg           rd_scl,
10    output  reg   [7:0]   rd_data,
11    output  wire          rd_done
12  );
13
14    parameter f_clk = 50_000_000;
15    parameter f = 100_000;
16    parameter t = f_clk / f / 4;
17    
18    reg   [11:0]    cnt;
19    
20    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
21    begin
22    if(rst_n == 1'b0)
23      cnt <= 12'd0;
24    else if(rd_en)
25      begin
26      if(cnt == 32 * t - 1)
27        cnt <= 12'd0;
28      else
29        cnt <= cnt + 1'b1;
30      end
31    else
32      cnt <= 12'd0;
33    end
34
35    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
36    begin
37    if(rst_n == 1'b0)
38      begin
39      rd_scl <= 1'b0;
40      rd_data <= 8'd0;
41      end
42    else if(rd_en)
43      case(cnt)
44      0         : begin rd_scl <= 1'b0; end
45      1 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
46      2 * t - 1 : begin rd_data[7] <= rd_sda; end
47      3 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
48      5 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
49      6 * t - 1 : begin rd_data[6] <= rd_sda; end
50      7 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
51      9 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
52      10* t - 1 : begin rd_data[5] <= rd_sda; end
53      11* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
54      13* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
55      14* t - 1 : begin rd_data[4] <= rd_sda; end
56      15* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
57      17* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
58      18* t - 1 : begin rd_data[3] <= rd_sda; end
59      19* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
60      21* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
61      22* t - 1 : begin rd_data[2] <= rd_sda; end
62      23* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
63      25* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
64      26* t - 1 : begin rd_data[1] <= rd_sda; end
65      27* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
66      29* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end
67      30* t - 1 : begin rd_data[0] <= rd_sda; end
68      31* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end
69      default : ;
70      endcase
71    end
72    
73    assign rd_done = (cnt == 32 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;
74
75  endmodule

?

在控制模塊中，我們可以將每個(gè)bit分解開進(jìn)行寫，比如起始條件：

類比以上寫法，停止條件也是如此。

在控制模塊中我們使用狀態(tài)機(jī)來完成數(shù)據(jù)的寫入以及ACK的判斷。我們?cè)诘谝粋€(gè)狀態(tài)中，可以加入一個(gè)按鍵來啟動(dòng)整個(gè)過程的開始。

在ACK讀取的狀態(tài)，我們?cè)赟CL高電平中心讀取ACK的值，在此狀態(tài)結(jié)束時(shí)判斷ACK的值是否為0，如果為0說明響應(yīng)正確，狀態(tài)繼續(xù)往下，否則返回起始條件狀態(tài)。

在頂層代碼中，我們需要加入三態(tài)門來控制雙端口。

在寫好代碼之后，出現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是我們無法仿真，因?yàn)閱渭兊目床ㄐ?，?huì)發(fā)現(xiàn)我們得不到正確的ACK，導(dǎo)致狀態(tài)一直無法繼續(xù)。因此我們將使用仿真模型來進(jìn)行仿真，在仿真模型中，端口為芯片的控制端口。

在此模型中需要我們注意的一點(diǎn)就是，寫循環(huán)時(shí)間定義的為5ms時(shí)間，如果大家覺得時(shí)間太長(zhǎng)，可以自行修改。

仿真代碼如下：

?

1   `timescale 1ns/1ps
2 
3   module iic_tb;
4     
5     reg            clk;
6     reg            rst_n;
7     reg            key;
8     
9     wire  [2:0]     sel;
10    wire  [7:0]     seg;
11    wire            SCL;
12    wire            SDA;
13    
14    defparam iic_inst.jitter_inst.t = 10;
15    
16    pullup(SDA);
17    
18    initial begin
19    clk = 0;
20    rst_n = 0;
21    key = 1;
22    #100;
23    rst_n = 1;
24    #1000;
25    key = 0;
26    #1000;
27    key = 1;
28    #1000000;
29    $stop;
30    end
31    
32    always #10 clk = ~clk;
33    
34    iic iic_inst(
35
36    .clk        (clk),
37    .rst_n      (rst_n),
38    .key        (key),
39    
40    .sel        (sel),
41    .seg        (seg),
42    .SCL        (SCL),
43    .SDA        (SDA)
44  );
45
46    M24LC64 M24LC64_inst(
47    .A0       (1'b0), 
48    .A1       (1'b0), 
49    .A2       (1'b0), 
50    .WP       (1'b0), 
51    .SDA      (SDA), 
52    .SCL      (SCL)
53    );
54
55  endmodule

?

寫好代碼之后，我們打開仿真波形進(jìn)行觀察。

在仿真波形中可以看出，我們讀出來的數(shù)據(jù)跟寫入的數(shù)據(jù)時(shí)一致的，即表明驅(qū)動(dòng)正確。需要注意的是，在寫循環(huán)時(shí)間內(nèi)，我們發(fā)送的命令，芯片是不接收的，所以會(huì)出現(xiàn)起始條件、寫控制字、ACK三個(gè)狀態(tài)一直循環(huán)，直到數(shù)據(jù)寫入完成，仿真模型才會(huì)返回ACK。此時(shí)，狀態(tài)繼續(xù)往下進(jìn)行，直至結(jié)束。

我們從仿真模型中讀出的數(shù)據(jù)，高電平是為高阻的，模型無法拉高，所以我們?cè)诜抡嬷锌梢宰孕猩侠@樣才能看到完整且正確的數(shù)據(jù)。

至此，我們實(shí)驗(yàn)正確。

審核編輯：劉清