嵌入式系统中EEPROM接口及控制电路设计_姚亚峰

嵌入式系统中EEPROM接口及控制电路设计

姚亚峰,陈建文,黄载禄

(华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074)

摘要:嵌入式串行EEPROM存储器已成为当今许多片上系统解决方案的一个重要组成部分。本研究以以太网接口卡芯片中E EPROM的嵌入式应用开发为例,介绍和提供了一种嵌入式系统中串行EEPROM的接口和控制电路的设计方法。本方法对其他领域EEPROM的嵌入式应用也具有重要的参考意义。

关键词:串行电可擦除只读存储器;嵌入式系统;串行外设接口;芯片内总线接口

中图分类号:TN802文献标识码:A文章编号:1003-353X(2007)04-328-04

Design of Interface and Control Circuit of EEPROM in Embedded System

YAO Ya-feng,CHEN Jian-wen,HUANG Za-i lu

(Dept.of Electronic&In forma tion,H UST,Wuhan430074,China)

Abstract:The application of series E EPROM has become an important component of SOC in the e mbedded syste ms.Taking the application of embedded EEPROM designed in the ethernet network interface card as an e xample,a typical design method for the application of interface and control circuit of series EEPROM in embedded system was introduced.The main technical characteristics of the method can be helpful to the EE PROM embedded application in other fields.

Key words:series EEPROM;embedded system;SPI;I2C

1引言

EEPROM是电可擦除可编程只读存储器。它具有占用引脚少、容量扩展配置灵活以及读写操作相对简单的特点,因而在可靠数据存储领域得到了广泛应用[1]。从与人们日常生活密切相关的身份卡、金融卡、医疗保险卡、交通卡等,到用于通讯的手机SI M卡、电话卡,用于仓储、货物运输的电子标签以及其他如PDA、数字相机等消费类电子产品都使用到了EEPROM。

在EEPROM早期应用中比较常见的是其分立式元器件,如24系列、93序列等串行E EPROM元件。但随着集成电路工艺和设计技术的发展,基于可复用IP核的SOC设计已经得到业内的广泛接受和推崇,已经有许多典型的可复用的IP核被开发出来,如MC U I P核、DSP IP核等。串行EEPROM 也早已作为I P核集成到SOC芯片之中,嵌入式串行EEPROM存储器已成为当今许多片上系统解决方案的一个重要组成部分[2]。它不但提供了这些芯片在线编程或进行现场软件升级的能力,还实现了对重要数据的长期存储,并在断电时保留这些数据。其典型应用包括音视频编解码芯片和汽车电子控制系统芯片等。

在嵌入式应用中,串行EEPROM作为一个IP 核包含在系统中,因而不必深入考虑其IP核的内在设计和实现形式,更重要的是考虑其接口和控制电路的设计,让EEPROM IP核在嵌入式系统中能够完成成像分立式元器件一样的各种功能。本文以以太网接口卡芯片中EE PROM的开发与应用为例,先简单介绍了串行EEPROM的接口特征,然后详细介绍了一种嵌入式系统中串行EEPROM的接口和控制电路的设计方法。本文提供的设计方法及其思路对其他领域的EEPROM嵌入式应用也具有重要的参考意义。

2串行EEPR OM读写过程

在嵌入式应用中,串行EEPROM是作为单独的IP核以及外加接口及控制电路等组成,其IP核的读写过程与分立式的EEPROM元器件相类似。同样地,串行E EPROM与芯片内其他模块的接口主要有I2C和SPI两种总线方式。

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线[3]。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号:开始信号、结束信号和应答信号。开始信号是指SC L为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,表示开始传送数据。结束信号是指SCL为低电平时,SDA由低电平向高电平跳变,表示结束传送数据。应答信号是指接收数据的单元在接收到8bit或16bit数据后,向发送数据的单元发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。若未收到应答信号,则判断受控单元出现故障。在开始信号之后,必须是器件的控制字节,其中高四位为器件类型识别符(不同的芯片类型有不同的定义,EE PROM一般应为1010),接着三位为片选,最后一位为读写位,当为1时为读操作,为0时为写操作。写操作分为字节写和页面写两种操作,对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。读操作有三种基本操作:当前地址读、随机读和顺序读。在I2C 总线的应用中应严格按照相应时序图的要求进行发送或接收数据的读写操作。

本文设计的以太网接口卡芯片中采用的是类似AT93C46的串行E EPROM IP核,其接口采用SPI总线标准。SPI总线是一种四线同步串行总线。四根线分别由片选线(CS)、串行移位时钟线(SK)、串行移位数据输入线(DI)及串行移位数据输出线(DO)组成。EEPROM I P核内部结构由存储器阵列、地址译码、数据寄存器、操作码译码逻辑、时钟发生器输出缓冲器等组成。其内部存储器阵列为64@16位,输入数据由数据寄存器串行移位输入,输出数据由输出缓冲器移位输出。由于EEPROM 采用串行接口,所以它的指令、地址以及写入数据等都在数据输入端DI输入,读出数据以及芯片状态在数据输出端输出。所有的数据输入和输出都与串行时钟SK同步,并在SK的上升沿起作用。该串行EEPROM支持7种操作码指令,每个指令均由起始位、操作码、地址位、数据位等部分按顺序组成。片选信号CS高电平有效,低电平表示进入等待模式。在串行时钟信号SK的上升沿、操作码、地址和数据位等进入器件或从器件输出。串行数据输入时,在SK的同步下,DI线顺序输入开始位、操作码、地址位、数据位等信息。串行数据输出时,在SK的同步下,DO线处于读周期时输出数据;在擦/写周期时提供忙/闲信息。

读操作指令READ具体时序如图1所示。起始位均为/10,读操作码为/100。在接收到一个读指令和地址(从DI引脚在时钟驱动下输入)之前, DO引脚是高阻态的。接收到读指令和地址后,DO 引脚先输出一个虚拟的低电平0,然后数据根据时钟信号移位输出(高位在前)。数据在时钟信号SK 的上升沿时输出并经过一定的时间后稳定。在第一个数据字移位输出以后,只要保持片选信号CS不变和时钟信号SK继续触发,器件会自动将地址加1指向下一地址,并且连续输出串行数据。只要保持片选和时钟信号SK不断地输入,器件会把地址不断增加直到器件的末地址,然后地址回到0。在连续读出的模式下,只有第一个数据输出的时候有虚拟0位,后面送出的数据都没有虚拟0

位。

图1读操作时序

写操作指令W RI TE具体时序如图2所示。起始位均为/10,写操作码为/010。在接收到写指令地址和数据以后,片选信号C S不片选芯片的时间要必须大于一定时间间隔,片选引脚CS在下降沿的时候,器件开动自动时钟去擦除并把数据存放到指定存储器。在器件进入自动时钟的模式后,时钟信号引脚SK的信号不是必须的。器件的准备/繁忙状态可以测试数据输出引脚DO得到。因为器件有在写入前自动清除的特性,所以没有必要在写入之前将存储器该地址的内容擦除。