EEPROM с шиной I²C на примере 24LC256 и BR24G256

Варианты и питание

Объём всех трёх — 256 Кбит, то есть 32 768 байт; различаются они напряжением питания и частотой шины:

Широкий диапазон питания позволяет подключать эти микросхемы и к 5-вольтовым, и к 3,3-вольтовым микроконтроллерам без согласования уровней — при условии, что EEPROM питается от того же напряжения, что и микроконтроллер.

Выводы

У корпусов SOIC-8, TSSOP-8 и других 8-выводных корпусов назначение выводов одинаковое (24LC256, табл. 2-1):

SDA — выход с открытым стоком, поэтому шине нужен подтягивающий резистор к питанию. Microchip приводит типичные значения: 10 кОм для 100 кГц и 2 кОм для 400 кГц и 1 МГц (24LC256, 2.2); точное значение для своей ёмкости шины можно рассчитать в калькуляторе подтяжки I²C. Выводы A0–A2 у Microchip нужно соединить с землёй или питанием, а у ROHM BR24G256 они подтянуты к земле внутри, и неподключённый вывод считается нулём. Вывод WP соединяют с землёй, если запись нужна, и с питанием, если память должна работать только на чтение. У Microchip в корпусе MSOP выводов A0 и A1 нет, и на одной шине можно поставить только две такие микросхемы.

Адрес на шине

Первый байт после условия Start — управляющий (control byte, у ROHM — slave address):

1  0  1  0  A2 A1 A0 R/W

Код 1010 у EEPROM серии 24 постоянный, A2–A1–A0 должны совпадать с уровнями на одноимённых выводах, а бит R/W выбирает запись (0) или чтение (1). Три бита адреса позволяют поставить на одну шину до восьми микросхем — для 24XX256 это до 2 Мбит общего адресного пространства (24LC256, 5.0 и 5.1). В 7-битной записи адреса, которую используют библиотеки I²C, получаются значения от 0x50 (все выводы A — на земле) до 0x57.

После управляющего байта записи передаётся адрес ячейки — два байта, старший первым. Из 16 бит используются 15 (A14–A0), старший бит игнорируется. Разложить транзакцию на биты и подтверждения можно в конструкторе транзакции I²C.

Запись байта и страницы

Запись байта: Start, управляющий байт с R/W = 0, старший и младший байт адреса, байт данных, Stop. По условию Stop микросхема начинает внутренний цикл записи длительностью до 5 мс и всё это время не отвечает ACK (24LC256, 6.1; BR24G256, Write Command).

Запись страницы: после первого байта данных можно передать ещё до 63 — всего 64 байта, — и все они запишутся одним циклом по Stop, тоже не дольше 5 мс. ROHM специально оговаривает: страница из 64 байт записывается за те же 5 мс, а не за 64 · 5 = 320 мс. При этом увеличиваются только шесть младших битов адреса, и если данные выходят за конец страницы, адрес возвращается к её началу — например, после 3Fh идёт 00h, а не 40h (BR24G256, Internal Address Increment; 24LC256, 6.2). Поэтому запись нужно делить по границам страниц: адресам, кратным 64.

Запись всей микросхемы — 32 768 / 64 = 512 страниц — занимает не больше 512 · 5 мс ≈ 2,6 с. Microchip отмечает, что при записи меньше 64 байт перезаписывается вся страница, и ресурс поэтому указан на страницу: более 1 000 000 циклов у 24LC256 и 4 млн у BR24G256, хранение данных — 200 лет.

Ожидание конца записи

Чтобы не ждать 5 мс вслепую, используют опрос ACK (acknowledge polling): сразу после Stop мастер посылает Start и управляющий байт записи. Пока идёт внутренний цикл, микросхема не отвечает ACK — тогда Start и управляющий байт повторяют; как только запись закончилась, приходит ACK, и можно продолжать (24LC256, разд. 7; BR24G256, Acknowledge Polling).

Защита от записи

Высокий уровень на выводе WP запрещает запись во весь массив, низкий — разрешает. Microchip уточняет, что при WP = 1 микросхема подтверждает команду записи, но не записывает данные, а сам вывод проверяется в момент Stop (24LC256, 6.3). У ROHM неподключённый WP считается низким уровнем, то есть запись разрешена; ROHM рекомендует держать WP в высоком уровне при включении и выключении питания, чтобы избежать ошибочной записи при низком напряжении (BR24G256, Write Protect).

Чтение

Чтение бывает трёх видов (24LC256, разд. 8):

• По текущему адресу — Start и управляющий байт с R/W = 1: микросхема выдаёт байт по адресу, следующему за последним прочитанным или записанным.
• Произвольное — сначала «записывают» только адрес (управляющий байт с R/W = 0 и два байта адреса), затем без Stop повторяют Start и управляющий байт с R/W = 1 и читают байт. Мастер не подтверждает последний байт и завершает обмен условием Stop.
• Последовательное — как произвольное, но мастер подтверждает каждый принятый байт, и микросхема выдаёт следующие подряд; после адреса 7FFFh счётчик переходит к 0000h.

Последовательным чтением можно за одну транзакцию прочитать всю память: на 400 кГц каждый байт занимает 9 тактов, и 32 768 байт читаются примерно за 32 768 · 9 / 400 кГц ≈ 0,74 с. С завода память ROHM BR24G256 заполнена байтами FFh.