EEPROM讀寫學習筆記與I2C總線（二）

        無論任何電子產品都會涉及到數據的產生與數據的保存，這個數據可能並不是用來長久保存，只是在運行程序才會用到，有些數據體量較大對於獲取時效性並不太強，各種各樣的數據也就有不同的存儲載體，這次在EEPROM讀寫中，順道把看到的關於存儲的一些東西整理一下，有些話來自於網友，所以還是那句話，看到的人要帶着自己的思考去看，記住盡信書不如無書，fighting！！！

     一、基本概念

         最熟悉的兩個詞語應該是RAM與ROM，RAM（Random Access Memory）的全名為隨機存取記憶體，它相當於PC機上的移動存儲，用來存儲和保存數據的。它在任何時候都可以讀寫，RAM通常是作為操作系統或其他正在運行程序的臨時存儲介質，它的一切都是最好的，唯一缺點斷電一切東西都沒有了。一般情況下，現在移動設備也多了，我們叫它內存，更通常的叫運行內存。還有一個熟悉的詞DDR2或DDR3，后面還會學習到的。

        ROM（Read Only Memory）的全名為唯讀記憶體，它相當於PC機上的硬盤，用來存儲和保存數據。ROM數據不能隨意更新，但是在任何時候都可以讀取。即使是斷電，ROM也能夠保留數據。但是資料一但寫入后只能用特殊方法或根本無法更改，但這么久了ROM已經有了很大的發展，不再是最初的摸樣了。rom最初不能編程，出廠什么內容就永遠什么內容，不靈活。后來出現了prom，可以自己寫入一次，要是寫錯了，只能換一片，自認倒霉。人類文明不斷進步，終於出現了可多次擦除寫入的EPROM，每次擦除要把芯片拿到紫外線上照一下，想一下你往單片機上下了一個程序之后發現有個地方需要加一句話，為此你要把單片機放紫外燈下照半小時，然后才能再下一次，這么折騰一天也改不了幾次。歷史的車輪不斷前進，偉大的EEPROM出現了，拯救了一大批程序員，終於可以隨意的修改rom中的內容了，這一段話就說出了ROM的發展歷程。

      狹義的EEPROM：這種rom的特點是可以隨機訪問和修改任何一個字節，可以往每個bit中寫入0或者1。這是最傳統的一種EEPROM，掉電后數據不丟失，可以保存100年，可以擦寫100w次。具有較高的可靠性，但是電路復雜/成本也高。它的改寫是由高電壓或者由控制端的邏輯電平來完成的。因此目前的EEPROM都是幾十千字節到幾百千字節的，絕少有超過512K的。我們也就發現了EEPROM的確可以實現隨意讀寫，EEPROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。可介紹的這兩種都不存在大容量並且也十分昂貴，那我們平時見到的幾十G的存儲設備是什么？flash就應運而生了。flash屬於廣義的EEPROM，因為它也是電擦除的rom。但是為了區別於一般的按字節為單位的擦寫的EEPROM，我們都叫它flash。flash做的改進就是擦除時不再以字節為單位，而是以塊為單位，一次簡化了電路，數據密度更高，降低了成本。上M的rom一般都是flash。

     ROM的應用

對數指數、三角函數等常規計算通過寫出真值表，將自變量以地址碼的形式輸至ROM，用ROM表來實現。還有碼制轉換，例如二進制碼轉格雷碼。脈沖序列發生器，偽彩色處理電路，也就是將一幅黑白圖像變成彩色圖像顯示，將灰度圖像對應到red , green , blue三個通道上，最后將三個通道的顏色值合成為需要顯示的RGB顏色值即可。具體可參考       https://blog.csdn.net/huixingshao/article/details/42706699 。

    接下來說一下flash的分類，flash分為nor flash和nand flash。nor flash數據線和地址線分開，可以實現ram一樣的隨機尋址功能，可以讀取任何一個字節。但是擦除仍要按塊來擦。nand flash同樣是按塊擦除，但是數據線和地址線復用，不能利用地址線隨機尋址。讀取只能按頁來讀取。NOR Flash的讀取，用戶可以直接運行裝載在NOR FLASH里面的代碼。NAND Flash沒有采取內存RAM的隨機讀取技術，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節，采用這種技術的Flash比較廉價。用戶不能直接運行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發板除了使用NAND Flah以外，還作上了一塊小的NOR Flash來運行啟動代碼。nandflash引腳上復用，因此讀取速度比nor flash慢一點，但是擦除和寫入速度比nor flash快很多。nand flash內部電路更簡單，因此數據密度大，體積小，成本也低。因此大容量的flash都是nand型的。小容量的2～12M的flash多是nor型的。nor flash可以進行字節尋址，所以程序可以在nor flash中運行。嵌入式系統多用一個小容量的nor flash存儲引導代碼，用一個大容量的nand flash存放文件系統和內核。

二、I2C總線

      這個在我轉載的一篇文章里面有很詳細的描述，就不在提及了。有一個問題是無論UART還是I2C都是串行按位傳輸數據，區別在哪？還有SPI傳輸，下面分別總結一下三者的特點。

         UART：兩線，一根發送一根接收，可以全雙工通信，數據異步傳輸，對雙方的時序要求比較嚴格，在多機通信上面用的最多。按照標准波特率完成雙向通訊，速度慢，之前提到采集一位數據就需要16個時鍾周期，適合遠距離傳輸，比如IEEE488定義並行通行狀態時，規定設備線總常不得超過20米，並且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對於串口而言，長度可達1200米。UART需要固定的波特率，就是說兩位數據的間隔要相等，

 

         I2C：能用於替代標准的並行總線，能連接的各種集成電路和功能模塊。I2C是多主控總線，所以任何一個設備都能像主控器一樣工作，並控制總線。總線上每一個設備都有一個獨一無二的地址，根據設備它們自己的能力，它們可以作為發射器或接收器工作。多路微控制器能在同一個I2C總線上共存，當然在任何時間點上只能有一個主控。一般用於同一板卡上芯片之間的通信，較少用於遠距離通信。

 

         SPI：SPI接口和UART相比，多了一條同步時鍾線，對通信雙方的時序要求不嚴格不同設備之間可以很容易結合，而且通信速度非常快。一般用在產品內部元件之間的高速數據通信上面，如大容量存儲器flash等。高速同步串行口，3～4線接口，收發獨立、可同步進行。

三、EEPROM通信舉例

同樣通過一個程序來學習里面內容。自加內容用紅筆標出。

1)IIC_WR模塊

寫步驟：

a.     實現開始信號

b.     發送24LC04B設備地址，從機發送應答信號

c.     發送待存儲數據的地址，接受應答信號

d.     發送待寫入數據，接受應答信號

e.     實現結束信號

讀步驟：

a.     實現開始信號

b.     發送24LC04B設備地址，從機發送應答信號

c.     發送待讀取數據的地址，接受應答信號

d.     實現開始信號

e.     發送24LC04B設備地址，從機發送應答信號

f.     讀取8位數據

g.     實現非應答信號

h.     實現結束信號

通過狀態機 i 來切換 IIC 的不同狀態，譬 如接收到寫命令，狀態機ｉ=0 轉入 Start 狀態，SDA 先變低，再 SCL 變低；狀態機ｉ=1 開 始 轉 入 寫 設 備 地 址 0xA0; 之 后 狀 態 機 轉 到 ７ 開 始 發 送 ８ 位 的 數 據 ， 其 中 狀 態 機 i=7,8,9,10,11,12,13,14 是 IIC 發送８位的數據，然后狀態機進入 i=15 等待 IIC 從設備的應答 信號。狀態機 i=16 為判斷是否有應答，如果有的話狀態機轉到 i=2 寫 IIC 的地址,然后狀態機 又是重復ｉ=7,8,9,10,11,12,13,14 發送地址和 i=15 等待應答，i=16 判斷應答。最后狀態機 i=3 開始發送 IIC 寫數據。發送完數據 i=4 發送 Stop 信號。

module iic_com
(
    input CLK,
     input RSTn,
     
     input [1:0] Start_Sig,             //read or write command
     input [7:0] Addr_Sig,              //eeprom words address
     input [7:0] WrData,                //eeprom write data
     output [7:0] RdData,               //eeprom read data
     output Done_Sig,                   //eeprom read/write finish
     
     output SCL,
     inout SDA
     
);

parameter F250K = 9'd200;                //250Khz的時鍾分頻系數    //200分頻系數不必要用到9位，可改為8          
     
reg [4:0]i;           //用來只是狀態機
reg [4:0]Go;
reg [8:0]C1;
reg [7:0]rData;         //讀信號  23 reg rSCL;
reg rSDA;
reg isAck;
reg isDone;          //結束信號  27 reg isOut;    
 
assign Done_Sig = isDone;
assign RdData = rData;
assign SCL = rSCL;
assign SDA = isOut ? rSDA : 1'bz;        //SDA數據輸出選擇 //SDA的數據輸出受到SCL的控制，SCL為高時SDA保持不變，在接收應答位期間SDA也受控制

//****************************************// 
//*             I2C讀寫處理程序            *// 
//****************************************// 
always @ ( posedge CLK or negedge RSTn )
     if( !RSTn )  begin
            i <= 5'd0;               //狀態機初始為0
            Go <= 5'd0;
            C1 <= 9'd0;
            rData <= 8'd0;
            rSCL <= 1'b1;            //數據線和時鍾線保持高電平初始值
            rSDA <= 1'b1;
            isAck <= 1'b1;           //信號為低電平時規定為有效應答位，高電平為非有效應答位。
            isDone <= 1'b0;
            isOut <= 1'b1;
     end
     else if( Start_Sig[0] )                     //I2C 數據寫   //start_sig用來判斷數據為讀或寫
         case( i )
                    
            0: //發送IIC開始信號
             begin
                    isOut <= 1;                         //SDA端口輸出
                    
                    if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b1;
                    else if( C1 == 200 ) rSCL <= 1'b0;       //SCL由高變低   //分頻系數為200，計數到200表明經過一個新的時鍾周期時鍾線變為低電平。
                              
                    if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b1; 
                    else if( C1 == 100 ) rSDA <= 1'b0;        //SDA先由高變低   //計數到100時，rSDA變為低電平，符合信號開始發送條件。
                              
                    if( C1 == 250 -1) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
                    else C1 <= C1 + 1'b1;  //i=0用來表示開始信號發送，根據SDA與SCL變化可得，此處C1到達249,表示又過了四分之一個新時鍾周期，i+1，運行下一步
             end
                      
             1: // Write Device Addr
             begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b0}; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end     //非阻塞賦值，Go為2  
                 
             2: // Wirte Word Addr
             begin rData <= Addr_Sig; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end      //addr_sig為word address，Go為3
                    
             3: // Write Data
             begin rData <= WrData; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end       //寫入數據，Go為4，WrData數值賦給rData。
     
             4: //發送IIC停止信號
             begin
                isOut <= 1'b1;
                          
                if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;     //SCL先由低變高       
        
                 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0;
                 else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b1;     //SDA由低變高     //SCL處於高電位時，SDA由低到高變化，處於結束位
                           
                 if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
                 else C1 <= C1 + 1'b1; 
             end
                     
             5:
             begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end       //寫I2C 結束
                     
             6: 
             begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end
                 
             7,8,9,10,11,12,13,14:                         //發送Device Addr/Word Addr/Write Data
             begin
                 isOut <= 1'b1;           //isout=1， SDA <= rSDA
                  rSDA <= rData[14-i];                      //高位先發送
                      
                  if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;         //SCL高電平100個時鍾周期,低電平100個時鍾周期
                  else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 
                          
                  if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end     //產生250Khz的IIC時鍾   //i=14運行之后，狀態機i=15
                  else C1 <= C1 + 1'b1;
             end
                     
             15:                                          // waiting for acknowledge
             begin
                 isOut <= 1'b0;                            //SDA端口改為輸入
                 if( C1 == 100 ) isAck <= SDA;             //讀取IIC 從設備的應答信號
                          
                  if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                  else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;         //SCL高電平100個時鍾周期,低電平100個時鍾周期
                  else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0;
                          
                  if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end    //產生250Khz的IIC時鍾
                  else C1 <= C1 + 1'b1; 
             end
                     
             16:
             if( isAck != 0 ) i <= 5'd0;    //判斷是否接收到應答信號
             else i <= Go;                  //狀態機i=1時，計算出i=2 124                     
              endcase
    
      else if( Start_Sig[1] )                     //I2C 數據讀
            case( i )
                
             0: // Start
             begin
                  isOut <= 1;                      //SDA端口輸出
                          
                  if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b1;
                    else if( C1 == 200 ) rSCL <= 1'b0;      //SCL由高變低
                          
                    if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b1; 
                    else if( C1 == 100 ) rSDA <= 1'b0;     //SDA先由高變低 
                          
                    if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
                     else C1 <= C1 + 1'b1;
             end
                      
             1: // Write Device Addr(設備地址)
             begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b0}; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end    //先進行一個偽寫操作
                     
             2: // Wirte Word Addr(EEPROM的寫地址)
             begin rData <= Addr_Sig; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end
                    
             3: // Start again
             begin
                 isOut <= 1'b1;          //開始進行讀操作
                          
                 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                  else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; 
                  else if( C1 == 250 ) rSCL <= 1'b0;
                          
                 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0; 
                  else if( C1 == 50 ) rSDA <= 1'b1;
                  else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b0;  
                          
                  if( C1 == 300 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
                  else C1 <= C1 + 1'b1;
             end
                     
             4: // Write Device Addr ( Read )
             begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b1}; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end
                    
             5: // Read Data
             begin rData <= 8'd0; i <= 5'd19; Go <= i + 1'b1; end
                 
             6: // Stop
             begin
                 isOut <= 1'b1;
                 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                  else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; 
        
                  if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0;
                  else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b1;
                           
                  if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
                  else C1 <= C1 + 1'b1; 
             end
                     
             7:                                                       //寫I2C 結束
             begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
                     
             8: 
             begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end
                 
                    
             9,10,11,12,13,14,15,16:                                  //發送Device Addr(write)/Word Addr/Device Addr(read)
             begin
                  isOut <= 1'b1;                          
                    rSDA <= rData[16-i];                                //高位先發送   //將rData數據賦值給數據線，偽寫操作
                          
                   if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                    else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;                   //SCL高電平100個時鍾周期,低電平100個時鍾周期
                    else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 
                          
                    if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end   //產生250Khz的IIC時鍾
                    else C1 <= C1 + 1'b1;
             end
                   
             17: // waiting for acknowledge
             begin
                  isOut <= 1'b0;                                       //SDA端口改為輸入
                         
                    if( C1 == 100 ) isAck <= SDA;                        //讀取IIC 的應答信號
                          
                    if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                    else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;                 //SCL高電平100個時鍾周期,低電平100個時鍾周期
                    else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0;
                          
                    if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end     //產生250Khz的IIC時鍾
                    else C1 <= C1 + 1'b1; 
             end
                     
             18:
                  if( isAck != 0 ) i <= 5'd0;
                    else i <= Go;
                     
                     
             19,20,21,22,23,24,25,26: // Read data
             begin
                 isOut <= 1'b0;
                 if( C1 == 100 ) rData[26-i] <= SDA;                              //高位先接收
                          
                  if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                  else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;                  //SCL高電平100個時鍾周期,低電平100個時鍾周期
                  else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 
                          
                  if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end     //產生250Khz的IIC時鍾
                  else C1 <= C1 + 1'b1;
             end      
                     
             27: // no acknowledge
             begin
                 isOut <= 1'b1;
                      
                  if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
                  else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;
                  else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0;
                          
                  if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= Go; end
                  else C1 <= C1 + 1'b1; 
            end
                
            endcase        
        

    
                
endmodule