I2C串行EEPROM應(yīng)用系統(tǒng)的健壯性設(shè)計(jì)

引言

　　在嵌入式控制系統(tǒng)中，通常要用到非易失性存儲器。無論是掉電時(shí)維持需要保存的設(shè)置，還是存儲重要記錄，可靠的非易失性存儲器都是一種理想的選擇。非易失性存儲常常采用外部串行存儲器來實(shí)現(xiàn)，其中I2C接口產(chǎn)品是最常用的一種類型。然而，這種產(chǎn)品和其他EEPROM存儲器一樣，在使用時(shí)也存在著一些條件會(huì)潛在地導(dǎo)致其產(chǎn)生某些非標(biāo)準(zhǔn)的甚至是錯(cuò)誤的操作。因此在進(jìn)行I2C串行EEPROM存儲器的應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，除了應(yīng)考慮數(shù)據(jù)手冊規(guī)范之外，還必須考慮更多的因素，這樣才能實(shí)現(xiàn)更健壯的總體設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)具有優(yōu)良的質(zhì)量特性。

1 防意外寫措施

　　器件在上電/掉電期間或者SDA/SCL線的噪聲過大時(shí)都有可能導(dǎo)致意外寫操作。為了解決這一問題，一方面需要使用去耦電容（容量通常為0.1 μF）來幫助濾除VCC上的紋波，另一方面則可以通過寫保護(hù)措施來防止對器件的非法訪問。

　　對于具有硬件寫保護(hù)功能的器件，既可以將其WP引腳連接到VCC來保護(hù)整個(gè)陣列，也可以將其WP引腳連接到VSS來放棄寫保護(hù)。通常用戶可以將 WP引腳連接到微控制器的一根I/O口線上，并在該引腳與VCC間連接一個(gè)上拉電阻，這樣就可確保器件在平時(shí)處于寫保護(hù)狀態(tài)；但是要啟動(dòng)寫周期，WP引腳必須首先被驅(qū)動(dòng)為邏輯0。注意，WP引腳不能懸空，否則器件將無法正常工作。

　　對于無寫保護(hù)功能的器件，則可以利用一個(gè)電子開關(guān)對其SDA引腳與微控制器之間的連接進(jìn)行通斷控制來實(shí)現(xiàn)寫保護(hù)。平常不訪問器件時(shí)，切斷它們的連接；僅在需要對器件實(shí)施讀/寫操作時(shí)才接通。

2  數(shù)據(jù)完整性保護(hù)措施

　　在整個(gè)寫周期內(nèi)（對于大多數(shù)器件而言，通常最大為5 ms），必須將VCC維持在最小工作電壓以上。如果此時(shí)VCC掉電或降到最小電壓以下，則無論時(shí)間長短，均無法確保被寫頁面的數(shù)據(jù)完整性，可能導(dǎo)致編程數(shù)據(jù)的不正確。此外，由于無法對EEPROM單元進(jìn)行完全編程，器件的數(shù)據(jù)保留時(shí)間會(huì)比數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的時(shí)間短。對于寫周期內(nèi)電源故障所導(dǎo)致的這些問題，通?？梢栽谲浖喜扇∠鄳?yīng)的保護(hù)措施來加以解決?；谑挛锏奶峤弧赝藱C(jī)制[1]就是一種典型的解決方案?？梢宰C明，當(dāng)EEPROM存儲器應(yīng)用系統(tǒng)采用該機(jī)制后，無論電源何時(shí)掉電或微控制器何時(shí)被復(fù)位，EEPROM存儲子系統(tǒng)都可保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

（1）  提交—回退機(jī)制的建立

　　提交—回退機(jī)制的建立包括兩方面的內(nèi)容：一方面是定義EEPROM存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)；另一方面是構(gòu)造對存儲子系統(tǒng)進(jìn)行訪問、檢查和錯(cuò)誤清理的接口函數(shù)。該機(jī)制將EEPROM存儲器劃分為主存儲區(qū)、校驗(yàn)存儲區(qū)和緩存區(qū)3個(gè)部分。其中主存儲區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)；校驗(yàn)存儲區(qū)用于存放主存儲區(qū)每個(gè)頁面的 CRC校驗(yàn)碼，且該區(qū)中每一頁的最后一個(gè)CRC用于校驗(yàn)本頁數(shù)據(jù)；緩存區(qū)包括多個(gè)寫緩存，每個(gè)寫緩存包含4個(gè)域——數(shù)據(jù)域、地址域、狀態(tài)域和16位CRC 域。數(shù)據(jù)域用于臨時(shí)存放寫函數(shù)寫入的數(shù)據(jù)頁面，執(zhí)行下一個(gè)提交命令時(shí)，該數(shù)據(jù)頁面將從緩存區(qū)傳送到主存儲區(qū)。地址域表示緩存數(shù)據(jù)要寫入的頁面地址；狀態(tài)域表示緩存的狀態(tài)，包括可用(available)、占用(occupied)和終止(expired)狀態(tài)；16位CRC域用來校驗(yàn)整個(gè)寫緩存。

　　該機(jī)制提供了6個(gè)接口函數(shù)：讀、寫、提交、回退、檢查和清理。

　　①  讀函數(shù)。接收1個(gè)頁面編號和1個(gè)用于存放待讀出數(shù)據(jù)的暫存區(qū)指針。如果暫存區(qū)指針和頁面編號處于有效范圍內(nèi)，程序就會(huì)將指定的頁面數(shù)據(jù)讀入暫存區(qū)，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。該函數(shù)會(huì)返回如下狀態(tài)之一：有效讀(valid read)、無效讀(invalid read)、無效暫存區(qū)地址(invalid buffer address)、無效頁面編號(invalid page number)或保護(hù)失敗(protection failure)。
　?、?nbsp; 寫函數(shù)。接收1個(gè)頁面編號和1個(gè)指向填好數(shù)據(jù)的暫存區(qū)指針。如果暫存區(qū)指針和頁面編號處于有效范圍內(nèi)，程序就會(huì)將數(shù)據(jù)寫入非易失性緩存，并標(biāo)記緩存狀態(tài)以準(zhǔn)備提交。
　　③  提交和回退函數(shù)。提交和回退函數(shù)是可以在運(yùn)行寫函數(shù)之后執(zhí)行的互補(bǔ)型操作。提交函數(shù)將最近被寫入緩存的數(shù)據(jù)復(fù)制到存儲區(qū)中的對應(yīng)位置，并為下一個(gè)待寫入的數(shù)據(jù)頁面準(zhǔn)備好緩存結(jié)構(gòu)?；赝撕瘮?shù)實(shí)際上就是一個(gè)“取消”操作，它消除最近一次執(zhí)行寫函數(shù)產(chǎn)生的效果，并為下一個(gè)寫操作準(zhǔn)備好緩存子系統(tǒng)。
　?、?nbsp; 檢查函數(shù)。讀取存儲器件的每個(gè)數(shù)據(jù)頁面，并檢查存儲數(shù)據(jù)的有效性。該函數(shù)還檢查緩存子系統(tǒng)，以確保沒有未執(zhí)行的寫操作。任何無效頁面或未執(zhí)行的寫操作都會(huì)使檢查函數(shù)返回一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)。
　?、?nbsp; 清理函數(shù)。修復(fù)一個(gè)數(shù)據(jù)損壞的EEPROM。實(shí)際上，它將試圖找出發(fā)生的錯(cuò)誤，并采取相應(yīng)的解決措施。

（2）  提交—回退機(jī)制的應(yīng)用

　　讀操作：調(diào)用讀函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　更新主存儲區(qū)數(shù)據(jù)操作：先調(diào)用寫函數(shù)再調(diào)用提交函數(shù)來完成。主存儲區(qū)只有在完成一個(gè)提交操作后才更新數(shù)據(jù)，而不是在一個(gè)寫操作之后更新的。

　　異常處理：在任何一個(gè)可能破壞EEPROM寫周期的事件之后(例如上電之后)，都將首先執(zhí)行校驗(yàn)/清理函數(shù)。檢查函數(shù)將檢驗(yàn)存儲系統(tǒng)的可用性，并報(bào)告任何發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤；清理函數(shù)將根據(jù)檢查函數(shù)返回的錯(cuò)誤代碼解決EEPROM系統(tǒng)存在的任何問題。在清理操作退出時(shí)，無論EEPROM子系統(tǒng)先前是何種狀態(tài)，都應(yīng)該可以繼續(xù)使用。

3  I2C通信的有效性保證措施

（1）  軟件復(fù)位

　　有時(shí)EEPROM器件可能需要執(zhí)行軟件復(fù)位序列來確保其處于正確并且已知的狀態(tài)。這在某些情況下會(huì)很有用。例如，在EEPROM上電時(shí)，若總線噪聲過大，EEPROM上電后將會(huì)進(jìn)入不正確的狀態(tài)；又如，微控制器在通信期間若發(fā)生復(fù)位，將會(huì)使通信陷入不同步的狀態(tài)。為了確保在出現(xiàn)這些情況之后，系統(tǒng)的微控制器與I2C串行EEPROM器件之間能夠正確、有效地實(shí)現(xiàn)通信，可以先發(fā)送圖1所示的軟件復(fù)位序列，使I2C接口器件可靠復(fù)位，之后，再啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸過程。

圖1  軟件復(fù)位序列

　　第1個(gè)起始位會(huì)使器件從期望接收微控制器數(shù)據(jù)的狀態(tài)復(fù)位。在該模式下，器件處于接收模式并監(jiān)視數(shù)據(jù)總線，能夠檢測到強(qiáng)制其內(nèi)部復(fù)位的起始位。9 位“1”用于強(qiáng)制復(fù)位那些無法通過前面的起始位復(fù)位的器件。這只在以下情況下發(fā)生：器件處于在總線上驅(qū)動(dòng)應(yīng)答（低電平）的模式中；或處于輸出模式中，正在總線上驅(qū)動(dòng)輸出數(shù)據(jù)位0。在這兩種情況下，由于器件將總線保持在低電平，所以無法產(chǎn)生前面的起始位（定義為SCL為高電平時(shí)SDA被拉低）。通過發(fā)送9位 “1”，可以確保器件檢測到NACK（即微控制器不將總線驅(qū)動(dòng)為低電平，從而不應(yīng)答EEPROM發(fā)送的數(shù)據(jù)），這樣也會(huì)強(qiáng)制進(jìn)行內(nèi)部復(fù)位。

　　發(fā)送第2個(gè)起始位是為了防止在以下情況中可能發(fā)生的罕見的錯(cuò)誤寫操作：微控制器在向EEPROM發(fā)送寫命令時(shí)被復(fù)位，并且在發(fā)送第1個(gè)起始位時(shí) EEPROM正在總線上驅(qū)動(dòng)ACK。在這種特殊情況下，如果沒有發(fā)送第2個(gè)起始位，而是發(fā)送了停止位，器件將啟動(dòng)寫周期。只有在微控制器向EEPROM發(fā)送寫命令時(shí)被復(fù)位的情況下，才可能發(fā)生這種錯(cuò)誤寫操作。

　　最后的停止位將終止總線活動(dòng)，并將EEPROM置于待機(jī)模式中。

（2）  檢查應(yīng)答位

　　I2C通信的眾多優(yōu)點(diǎn)之一就是在接收到每個(gè)字節(jié)后發(fā)送應(yīng)答位ACK。除了正在進(jìn)行寫周期之外，I2C接口EEPROM在接收到每個(gè)字節(jié)后總會(huì)發(fā)送1位低電平，表明已收到有效的起始位和控制字節(jié)。因此，主器件可以在整個(gè)運(yùn)行期間監(jiān)視接收到的ACK位，以檢測可能發(fā)生的任何錯(cuò)誤。在發(fā)送期間檢查接收到的ACK是否為邏輯1（表明EEPROM沒有響應(yīng)）始終是一種好的做法,若接收到ACK為邏輯1，則需要執(zhí)行一個(gè)錯(cuò)誤處理程序來確定器件為何沒有響應(yīng)，并根據(jù)需要執(zhí)行軟件復(fù)位序列。

（3）  應(yīng)答查詢

　　串行EEPROM上的寫操作要求在啟動(dòng)寫操作后遵守寫周期時(shí)間，使器件有時(shí)間存儲數(shù)據(jù)。在此期間，正常器件操作將被禁止，微控制器對器件的所有訪問嘗試都將被忽略。因此，微控制器應(yīng)等待寫周期結(jié)束后再嘗試訪問EEPROM，這一點(diǎn)很重要。每個(gè)器件在其數(shù)據(jù)手冊中都給出了最長的寫周期時(shí)間，該參數(shù)通常用TWC表示。確保遵守寫周期時(shí)間的一種簡單方法是：在再次訪問EEPROM之前執(zhí)行規(guī)定時(shí)長的延時(shí)。但是，器件在短于規(guī)定的最長時(shí)間內(nèi)完成寫周期是很尋常的事。因而，用這種延時(shí)方法會(huì)使EEPROM完成寫操作后的一段時(shí)間內(nèi)微控制器仍在等待。為了消除這段額外的時(shí)間，使運(yùn)行更加高效，強(qiáng)烈建議利用應(yīng)答查詢功能。由于I2C接口EEPROM器件在寫周期內(nèi)不會(huì)應(yīng)答，所以可在發(fā)送停止條件并啟動(dòng)器件的內(nèi)部寫周期后持續(xù)地向器件發(fā)送寫命令控制字節(jié)并進(jìn)行應(yīng)答查詢，直到接收到指示寫操作已完成的ACK位為止。圖2是應(yīng)答查詢流程。

圖2  應(yīng)答查詢流程

4  延長EEPROM使用壽命的方法

（1）  避免對同一區(qū)域反復(fù)執(zhí)行寫操作

　　不要在同一個(gè)單元或同一個(gè)頁面上反復(fù)執(zhí)行寫操作，尤其是不要將某個(gè)頁面設(shè)置成寫入任何其他頁面時(shí)都要更新的“目錄”。

（2）  盡可能降低供電電壓

　　在滿足器件最低供電電壓的前提下，供電電壓越低，器件的使用壽命越長。

（3）  選擇適當(dāng)?shù)膶懖僮髂Ｊ?/P>

　　EEPROM存儲器的寫操作有3種模式：字節(jié)模式、頁寫模式和塊寫模式。有些器件支持所有上述3種模式，而另一些器件則可能只支持上述3種模式中的一種或兩種。選擇適當(dāng)?shù)膶懖僮髂Ｊ?，可?EEPROM存儲器的使用壽命得以延長。在僅需要改變存儲器中的一個(gè)字節(jié)時(shí)，應(yīng)采用字節(jié)模式。而在需要改變存儲器中的某塊內(nèi)容或全部內(nèi)容時(shí)，寫操作模式的選擇原則是：首先應(yīng)考慮塊寫模式，其次再考慮頁寫模式，最后才是字節(jié)模式。

（4）  存儲塊輪換使用

　　一般應(yīng)用中,要存儲的數(shù)據(jù)比較單一,EEPROM空間與要存儲的數(shù)據(jù)相比會(huì)大得多。為此,可采用一種存儲塊輪換使用的方法來延長EEPROM的使用壽命。其原理如下：

　　根據(jù)要存儲的數(shù)據(jù)量將EEPROM空間分塊，從第1塊開始存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被改寫N次后轉(zhuǎn)到第2塊存放，等到第2塊中的數(shù)據(jù)被改寫N次后再轉(zhuǎn)到第3塊存放,依此類推,直到最后一個(gè)塊存放的數(shù)據(jù)被改寫N次后,又轉(zhuǎn)到第1個(gè)塊重新開始。在這種解決方案中，系統(tǒng)掉電后再上電時(shí)可用來確定數(shù)據(jù)存儲塊首地址的方法有[2]: 找最大數(shù)據(jù)法、用后還原法和地址指針法。

結(jié)語

　　健壯性設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)具有優(yōu)良質(zhì)量特性的基本措施。本文介紹的技術(shù)實(shí)用、可靠，在對I2C串行EEPROM存儲器進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能地考慮這些技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]  Maxim/Dallas公司.MAXQ環(huán)境下EEPROM的保護(hù)措施[EB/OL]. http://www.maximic.com.cn/appnotes.cfm/appnote_number/3771,20061213.
[2]  李維平,張濤,丁振君.延長EEPROM使用壽命的方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005(6).

汪社民(高級工程師)，主要研究方向?yàn)橹悄芑瘍x器儀表及嵌入式系統(tǒng)。