如何实现一种EEPROM驱动设计？

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程只读存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。

EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）是用户可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。

EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。我们以SANXIN-B04板卡上的EEPROM为例，向大家介绍一下其驱动方式。EEPROM型号为24LC64。

从特征中我们可以看出一些信息：

1、两线串行总线，使用IIC接口协议。

2、有自擦除/写循环时间。

3、有32字节页写和单字节写模式。

4、最大5ms的写循环时间。

知道了以上信息之后，那么我们继续往下看手册。

在这段描述中，我们可以看出，24LC64是一个8K*8的一个存储器，总共64K bit的容量。因为存储深度为8K，也就意味着芯片的地址有需要有8K个，也就是有8192个，从0开始到8191，那么地址线的位宽就是13位。这也就是我们在写时序图中展示的高字节地址和低字节地址。此外，芯片的供电范围是1.8V到5.5V。芯片有页写功能，最多可写32字节。允许最多有8个芯片连接到相同的总线上。

管脚及功能介绍：

A0、A1、A2三个端口为片选输入，当这三个端口的电平与从机地址相同时，该芯片被选中，这些管脚必须接电源或者地。

SDA是一个双向总线用于传输地址和数据，在SCL为低电平的时候，正常的数据传输SDA是允许被改变的，如果在SCL为高电平期间改变就会被认为是开始和停止条件。

SCL为串行时钟，用于同步数据的传输，由主机发出。

写保护管脚，这个管脚可以连接地、电源或悬空。如果悬空，这个管脚上的下拉电阻会让芯片保持不被保护的状态。如果连接到了地或者悬空，正常的存储器操作是有效地，如果连接到了电源，写操作是禁止的，读操作不受影响。

在SCL为高电平时，SDA由高变低被视为开始条件，所有的命令必须在开始条件之后。

在SCL为高电平时，SDA由低变高被视为停止条件，所有的操作必须以停止条件结束。

端口介绍完，这里要着重说明一下应答信号。每次接收完8bit数据，从机需要产生一个应答信号，主机必须产生一个额外的时钟周期伴随着应答信号。注释:芯片如果有内部循环在进程中的话，是不会产生应答信号的。在时钟为高电平的时候，芯片的应答信号必须拉低SDA，并且在SCL低电平期间保持稳定。

上图为IIC总线的示意图，其中开始条件与停止条件在上文已经描述过。其次是数据的读写，在图中，SCL为高电平时，地址或应答有效，那么我们就在数据有效的时候进行采数；在SCL为低电平时，数据允许被改变，那么我们发送数据就在此时间段。

在了解了端口的作用及功能之后，我们做一个总结：

1、起始条件：SCL为高电平，SDA由高变低。

2、停止条件：SCL为低电平，SDA由低变高。

3、数据接收在SCL高电平期间。

4、数据发送在SCL低电平期间。

5、A0、A1、A2、WP在电路图中已经全部接地，在代码中我们不需要关注。

电路图中可以看出，我们的EEPROM的控制管脚只有SCL和SDA。

设计框架

按照上面的框架，完成各部分代码，最后在此框架的基础上，再加上数码管模块，用来显示从EEPROM里面读出的数据。

新建工程：

新建好工程后，新建文件，开始写代码，首先是写模块。

写时序如下图。

我们以单字节写为例，因为在写的工程中，没写8bit，就要读一次ACK，所以在此我得做法是，读模块只写8bit的线性序列机，代码如下：

 

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

 

在写模块中，我们选择在SCL低电平中心位置发送数据，那么为了方便我们写线性序列机，我们将四分之一SCL周期看做是一个单位时间T，总共8bit时间，所以计数器需要计数32个T。

读模块代码如下：

 

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

 

在控制模块中，我们可以将每个bit分解开进行写，比如起始条件：

类比以上写法，停止条件也是如此。

在控制模块中我们使用状态机来完成数据的写入以及ACK的判断。我们在第一个状态中，可以加入一个按键来启动整个过程的开始。

在ACK读取的状态，我们在SCL高电平中心读取ACK的值，在此状态结束时判断ACK的值是否为0，如果为0说明响应正确，状态继续往下，否则返回起始条件状态。

在顶层代码中，我们需要加入三态门来控制双端口。

在写好代码之后，出现了一个问题，那就是我们无法仿真，因为单纯的看波形，会发现我们得不到正确的ACK，导致状态一直无法继续。因此我们将使用仿真模型来进行仿真，在仿真模型中，端口为芯片的控制端口。

在此模型中需要我们注意的一点就是，写循环时间定义的为5ms时间，如果大家觉得时间太长，可以自行修改。

仿真代码如下：

 

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

 

写好代码之后，我们打开仿真波形进行观察。

在仿真波形中可以看出，我们读出来的数据跟写入的数据时一致的，即表明驱动正确。需要注意的是，在写循环时间内，我们发送的命令，芯片是不接收的，所以会出现起始条件、写控制字、ACK三个状态一直循环，直到数据写入完成，仿真模型才会返回ACK。此时，状态继续往下进行，直至结束。

我们从仿真模型中读出的数据，高电平是为高阻的，模型无法拉高，所以我们在仿真中可以自行上拉，这样才能看到完整且正确的数据。

至此，我们实验正确。

审核编辑：刘清