深度揭秘 EEPROM：从原理到 SPI 接口应用，解锁嵌入式存储奥秘

发布时间：2025-03-28

来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)

分享到：

在嵌入式系统的广袤天地中，非易失性存储器始终占据着举足轻重的地位。从早期的 ROM、PROM 到后来的 EPROM，技术的演进之路充满了挑战与突破。而 EEPROM 的诞生，无疑为嵌入式工程师们带来了福音，它以其独特的电可擦除可编程特性，彻底改变了非易失性存储的格局。如今，尽管 Flash 在市场上占据主流，但 EEPROM 在特定容量区间依然拥有不可替代的优势，尤其是串行EEPROM ，凭借其简洁的接口与稳定的性能，在众多场景中发挥着关键作用。当涉及到存储需求较大的复杂项目时，使用多个 EEPROM 时的构成示例＜I2C＞更是为工程师们提供了灵活拓展存储容量的有效途径。今天，就让我们跟随痞子衡的脚步，一同深入探究 EEPROM，特别是 SPI EEPROM 的奥秘。

EEPROM，即电可擦除可编程只读存储器，其发展历程与浮栅 MOSFET 技术紧密相连。1967 年发明的浮栅 MOSFET 技术，为所有闪存奠定了基础。1970 年，第一款成功的浮栅型器件 ——EPROM 问世。到了 1979 年，SanDisk 创始人 Eli Harari 发明了世界上首个电可擦除的浮栅型器件，也就是 EEPROM。EEPROM 与 Flash 虽同属广义的 EEPROM 范畴，但狭义的 EEPROM 与 Flash 有着显著区别。Flash 按扇区操作，而 EEPROM 按字节操作。这一特性使得 EEPROM 在频繁改写少量数据且需掉电非易失的应用场景中表现出色，例如在一些对数据实时更新要求较高的小型控制系统中，EEPROM 能够快速响应数据的改写需求，确保数据的准确性和稳定性。

从软件驱动开发角度来看，Serial EEPROM 可依据地址码长度和通信接口类型进一步细分。地址码长度涵盖 1byte、2byte、3byte，通信接口类型包括 I2C、SPI、Microwire、UNIO Bus、Single - Wire 等。本文聚焦于 SPI 接口的 EEPROM。SPI EEPROM 的内存模型一般分为 Device、Sector、Page、Byte 四层，其中 Sector 并非必需，Page 也只是一种结构概念，与 NOR Flash 中的 Page/Sector 意义不同，因为 Byte 是 EEPROM 读写的最小单元，可实现任意地址随机访问，这使得 EEPROM 在某些方面类似于非易失性的 RAM。不过，部分高端 EEPROM 集成了 Page/Sector 操作命令，以提升操作效率。

SPI EEPROM 通常有 8 个引脚。除去电源 Vcc、地 GND/Vss 以及 SPI 四根信号线（CS#、SCK、SI、SO）外，还有 WP#（写保护）和 HOLD#（挂起）两根特殊控制信号。WP# 信号从硬件层面保护 EEPROM 内存，防止噪声干扰篡改数据；HOLD# 信号则可暂停 EEPROM 写操作，当该信号有效时，SI 信号输入将被忽略，方便主机处理其他高优先级任务。在封装方面，SPI EEPROM 种类齐全，其中 JEDEC 定义的 8 - lead SOIC 是最经典的封装形式，此外还有 TSSOP8、UDFN8、WLCSP8 等常见封装。

在接口命令方面，SPI EEPROM 虽无成文标准，但各大厂商生产的产品均支持 READ（读内存）、WRITE（写内存）、WREN（写使能）、WRDI（写禁止）、RDSR（读状态寄存器）、WRSR（写状态寄存器）这 6 条命令，这成为了事实上的接口命令标准。SPI EEPROM 内部还有一个 8bit 的状态寄存器，用于反馈命令执行状态。其中，bit0 - RDY# 用于标示涉及改变内存或状态寄存器的命令执行结果，bit1 - WEL 保存上一次 WREN 和 WRDI 命令的执行结果。状态寄存器中的 bit7 - WPEN、bit [3:2] - BP [1:0] 与写保护特性相关。除了这 6 条标准命令，一些厂商还针对大容量（3byte 地址码，512Kb 以上）EEPROM 实现了自定义命令。例如，为提高操作效率，部分大容量 EEPROM 增加了 Page/Sector/Chip Erase 命令，若没有这些命令，擦除操作只能通过标准 WRITE 命令手动实现，过程繁琐且低效。

数据存取速率是 SPI EEPROM 的重要技术指标。读时序方面，在 SPI 总线发送 READ（0x03）命令后，需紧接着发送读取的内存地址。对于容量大于 512Kb 的 EEPROM，需发送 3byte 地址；而对于容量小于等于 512Kb 的 EEPROM，512byte 容量的 EEPROM 虽按容量属于 2byte 地址码范畴，但 READ 命令后只需发送 1byte 地址（A7 - A0），最高地址位 A8 放在 READ 命令码 bit3 里，节省了 1 个字节地址码。因此，1Kb - 512Kb 容量的 EEPROM 地址码为 2byte，512byte 及以下容量的 EEPROM 地址码为 1byte。读数据速率取决于 SPI 总线速率，可通过查看 EEPROM 数据手册了解其支持的最高 SPI 总线速率（常见有 2MHz、5MHz、10MHz、20MHz）。写时序相对复杂，以 2byte 地址为例，发送 WRITE 命令前需先发送 WREN 命令使能写操作，因为默认 EEPROM 执行完上一次写操作后会恢复写禁止状态。确保写使能后，发送 WRITE 命令、地址码以及要写入的数据。EEPROM 可按 byte 或 Page 写入，按 Page 写入连续数据效率更高，但 WRITE 命令后跟随的字节数不能超过要写入首地址所在 Page 剩余字节数。当一次 WRITE 时序内数据发送完成后，进入等待周期，因为 EEPROM 需将 page buffer 里的数据编程到真正内存空间，用户需通过不断发送 RDSR 命令读取状态寄存器 bit0 - RDY# 来判断等待周期是否结束，所以写时序速率不仅取决于 SPI 总线速率，还与等待周期时长有关。

EEPROM 作为嵌入式系统中不可或缺的非易失性存储器，在特定应用场景下发挥着重要作用。SPI EEPROM 凭借其独特的接口特性和灵活的操作方式，为工程师们提供了高效的数据存储解决方案。随着技术的不断发展，我们有理由相信，EEPROM 将在保持自身优势的基础上，不断优化性能，拓展应用领域，为嵌入式系统的发展注入新的活力。无论是在现有的小型控制系统、数据记录设备中，还是在未来新兴的物联网、可穿戴设备等领域，EEPROM 都将继续书写它的辉煌篇章。

关键词：串行EEPROM