Skip to content

Latest commit

 

History

History
225 lines (146 loc) · 18.3 KB

tutorial.md

File metadata and controls

225 lines (146 loc) · 18.3 KB

Разбор работы EEPROM на примере 24LC02B

Автор: Зиновчик Олег

Содержание

  1. EEPROM: Описание и назначение
  2. Характеристики EEPROM 24LC02B
  3. Операции над EEPROM: введение
  4. Адресация
  5. Страничный буфер
  6. Защита записи
  7. Операции над EEPROM: подробное описание

EEPROM: Описание и назначение

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

Электрически стираемое перепрограммируемое запоминающее устройство (ПЗУ)

Программируя на микроконтроллере STM32F0, вам скорее всего не раз хотелось сохранить настройки или логи выполнения своей программы, ведь оперативная память STM32F0 затирается каждый раз при отключении питания. Решением этой проблемы служат внешние носители информации, представителем которых и являются EEPROM.

На самом деле, EEPROM имеют довольно узкую специализацию. Наибольший размер у них составляет 256 кбайт (24LCM02), и этого обычно недостаточно, чтобы хранить большие объемы данных — для этого используются другие виды памяти. Зато есть параметр, по которым EEPROM имеет значительное преимущество перед остальными — количество перезаписей, составляющее около миллиона раз. Для готовых к выпуску устройств это очень важно, так как никому не захочется менять один чип в уже собранном приборе, сломавшийся из-за слишком долгой эксплуатации. Для этих целей и используют EEPROM: хранят на них либо логи, для которых не нужен большой объем, либо настройки, объем которых и того меньше.

Примечание: информация о штатной работе нужна редко, в логах хранятся сведения о возникающих ошибках. Так же их нет смысла хранить за долгий промежуток. Однако длительность этого промежутка, естественно, зависит от того, что делает само устройство.

Характеристики EEPROM 24LC02B

Разберем конкретную модель EEPROM — 24LC02B. Самым полным источником информации по любому чипу всегда является документация от производителя. Извлечем оттуда интересующую нас на данный момент информацию:

  • Напряжение питания: 2,5 — 5,5 Вольт. Следовательно, можно подключать 24LC02B как на выход +3V, так и на +5V (но все же рекомендую подключать к трехвольтовому питанию).
  • Интерфейс: I2C. Даже если вы забыли, как реализовывать этот протокол, в документации часто есть его описание.
  • Запись страницы: 3 мс (однако максимум - 5).
  • Страничный буфер: 8 байт.
  • Аппаратная защита записи.
  • Более 1 миллиона циклов перезаписей.

Из документации же узнаем о распиновке чипа, находим наш корпус (PDIP, при подключении обратите внимание на выемку):

Возможные корпуса

Здесь:

  • A0-2 — дополнительные контакты адресации (если на шине 1 устройство такого типа, их все нужно заземлить и в контрольном байте считать [x][x][x] = [0][0][0]);
  • Vss — земля;
  • Vcc — питание;
  • WP — пин, устанавливающий защиту записи: 1=вкл, 0=выкл;
  • SCL и SDA — собственно шина I2C.

Операции над EEPROM: введение

Бегло перечислим список операций над EEPROM:

  • Запись одного байта по адресу;
  • Запись N байт по адресу;
  • Чтение текущего байта;
  • Чтение одного байта по адресу;
  • Чтение N байт по адресу.

В конце мы более тщательно разберем каждую из них, а пока перейдем к тонкостям запросов I2C. Путешествуя по документации, находим необходимые данные устройства, а именно его код и устройство контрольного байта:

Код устройства

Состав контрольного байта

Скорее всего, вас смутило то, что 7 бит поделены на 2 части, из которых коду устройства отведено всего лишь 4. Дело в том, что несколько EEPROM можно располагать на одной I2C шине, до 2^3=8 штук, тем самым образуя одну большую память.

Адресация

Разберемся, наконец, с адресацией внутри одной EEPROM.

W1

Как видно, за отправкой контрольного байта следует отправка байта адресации. Адресация побайтовая. Память EEPROM разбита на страницы, размер которых в байтах можно найти в документации (см: страничный буфер). Рассмотрим EEPROM 24LC02:

  • Память нашего EEPROM: 2 кбит = 2^8 байт, следовательно, для полной адресации достаточно 8 бит = 1 байта, что мы и наблюдаем.
  • Осталось: 3 бита (из контрольного байта) => на шине может находиться до 2^3=8 EEPROM с таким же кодом.

Рассмотрим другой EEPROM 24LC16:

  • Память EEPROM: 16 кбит (теперь должно быть понятно, что значат цифры на конце маркировки чипа) = 2 кбайт = 2^11 байт, следовательно, достаточно 11 бит…

А доступно 8. Нужные 3 бита берут из контрольного байта, из чего следует, что на шине I2C может быть только одна EEPROM 24LC16. Итак, все 3+8=11 бит, часть из которых занята у контрольного байта, используются для адресации внутри одного EEPROM.

Очевидно, что на I2C шине может быть два 24LC08 или четыре 24LC04. Учитывая, адресация по устройствам не может использовать свободные биты из байта адресации, так же очевидно, что хоть 24LC01 и использует 7 бит из байта адресации, на шине их не может быть больше 2^3=8.

Заметим, что для EEPROM большего размера (24LC32-512, 24LCM01 и 24LCM02) вместо одного байта адресации отправляется два.

Страничный буфер

Перейдем к понятию страницы EEPROM. Дело в том, что память в EEPROM можно разбить на некоторые участки одинакового размера, которые и называют страницами. В нашем случае при объеме 256 байт и размере страницы (т. е. страничного буфера) 8 байт получаем, что их 32.

Не будет сюрпризом, что запись в EEPROM не моментальна. Соответственно, между запросами на запись в EEPROM не должно пройти меньше времени, чем указанное в документации (в нашем случае, 3 миллисекунды (помним, что лучше пропустить 5)).

Разбиение памяти на страницы позволяет ускорить процесс записи. Именно с этой целью был введен страничный буфер (внутри EEPROM). Теперь мы знаем, что объем данных в запросе на запись не может быть больше, чем объем страничного буфера. Итак, в нашем случае мы можем записать одним запросом от 1 до 8 байт.

Но и тут не все так гладко. К примеру, если указанный в запросе адрес приходится на внутреннюю часть страницы (например, запись по адресу 13), а требуемый объем данных — 8 байт (размер страницы) будет ситуация Undefined Behavior — EEPROM может не записать запрос, может записать куда надо, может записать куда не надо — а узнать об этом будет невозможно.

Однако в качестве проверки можно после записи данных считать их же — это займет больше времени, зато значительно повысит надежность.

Подведем итоги: запись из N байт по адресу A будет успешной, если адрес A + N принадлежит той же, странице, что и адрес A.

Защита записи

Для чего нужна защита записи — WP? Включенная защита гарантирует то, что никакой запрос на запись не будет записывать, а запросы на чтение будут выполняться как обычно. Будет проваливаться именно запись в память — устройству, отправляющему запросы, будет казаться, что все данные успешно записаны. Такая система позволяет гарантировать сохранность настроек при работе готового устройства. При правильном написании программы можно избежать одновременной записи в одну EEPROM.

В параллельном программировании EEPROM называлась бы критической областью, а WP при правильном применении — мьютексом. Соответственно, неплохо будет по умолчанию держать защиту включенной, снимать перед записью и снова устанавливать после. Если не хотите пользоваться этой функцией, нужно заземлить WP (постоянный 0).

Операции над EEPROM: подробное описание

Познав специфику адресации EEPROM, вернемся к операциям.

Запись одного байта по адресу

W1

  1. (Если используем защиту записи, WP := 0)
  2. START;
  3. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 0 (Write);
  4. ACK;
  5. 1 байт (или 2 байта разделяемые ACK) адресации собственно внутри EEPROM;
  6. ACK;
  7. Собственно байт, который хотим записать.
  8. ACK;
  9. STOP;
  10. (Если используем защиту записи, WP := 1)
  11. Ждем, пока данные записываются (в нашем случае 5 миллисекунд).

Запись N байт по адресу

WN

  1. (Если используем защиту записи, WP := 0)
  2. START;
  3. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 0 (Write);
  4. ACK;
  5. 1 байт (или 2 байта разделяемые ACK) адресации собственно внутри EEPROM;
  6. ACK;
  7. Собственно байты, который хотим записать, разделяемые ACK — см правила записи нескольких байт.
  8. ACK;
  9. STOP;
  10. (Если используем защиту записи, WP := 1)
  11. Ждем, пока данные записываются (в нашем случае 5 миллисекунд).

Чтение текущего байта

RC

  1. START;
  2. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 1 (Read);
  3. ACK;
  4. EEPROM посылает байт.
  5. NO ACK;
  6. STOP.

Важно уточнить, что вообще значит «текущий адрес». Это есть адрес байта, доступ к которому выполнился самым последним. Будь то запись или чтение, все операции изменяют этот текущий адрес.

Например, если сначала вызвали READ(42), а потом READ_CURRENT(), то последняя операция вернет значение 43-го байта памяти.

Если в точности повторить этот набор операций еще раз, READ_CURRENT() снова вернет значение 43-го байта памяти, так как READ(42) изменит текущий адрес.

Если еще раз вызвать READ_CURRENT(), операция вернет значение 44-го байта памяти.

Чтение одного байта по адресу

R1

  1. START;
  2. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 0 (Write);
  3. ACK;
  4. 1 байт (или 2 байта разделяемые ACK) адресации собственно внутри EEPROM;
  5. ACK;
  6. START;
  7. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 1 (Read);
  8. ACK;
  9. EEPROM посылает байт.
  10. NO ACK;
  11. STOP.

В документации эта операция называется «Random Read». Правильный перевод «чтение по произвольному адресу».

Чтение N байт по адресу

RN

  1. START;
  2. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 0 (Write);
  3. ACK;
  4. 1 байт (или 2 байта разделяемые ACK) адресации собственно внутри EEPROM;
  5. ACK;
  6. START;
  7. Контрольный байт = «1010» (код устройства) + [x][x][x] (биты адресации между несколькими устройствами) + 1 (Read);
  8. ACK;
  9. EEPROM посылает байты. После каждого приема нужно отправить ACK, а NO ACK будет значить, что нам достаточно полученного.
  10. NO ACK
  11. STOP.