I2C串行EEPROM應用系統(tǒng)的健壯性設計

　　引言

　　在嵌入式控制系統(tǒng)中，通常要用到非易失性存儲器。無論是掉電時維持需要保存的設置，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現(xiàn)，其中I2C接口產品是最常用的一種類型。然而，這種產品和其他EEPROM存儲器一樣，在使用時也存在著一些條件會潛在地導致其產生某些非標準的甚至是錯誤的操作。因此在進行I2C串行EEPROM存儲器的應用設計時，除了應考慮數(shù)據(jù)手冊規(guī)范之外，還必須考慮更多的因素，這樣才能實現(xiàn)更健壯的總體設計，確保系統(tǒng)具有優(yōu)良的質量特性。

　　1 防意外寫措施

　　器件在上電/掉電期間或者SDA/SCL線的噪聲過大時都有可能導致意外寫操作。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措施來防止對器件的非法訪問。

　　對于具有硬件寫保護功能的器件，既可以將其WP引腳連接到VCC來保護整個陣列，也可以將其WP引腳連接到VSS來放棄寫保護。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間連接一個上拉電阻，這樣就可確保器件在平時處于寫保護狀態(tài);但是要啟動寫周期，WP引腳必須首先被驅動為邏輯0。注意，WP引腳不能懸空，否則器件將無法正常工作。

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

　　2 數(shù)據(jù)完整性保護措施

　　在整個寫周期內(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VCC掉電或降到最小電壓以下，則無論時間長短，均無法確保被寫頁面的數(shù)據(jù)完整性，可能導致編程數(shù)據(jù)的不正確。此外，由于無法對EEPROM單元進行完全編程，器件的數(shù)據(jù)保留時間會比數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的時間短。對于寫周期內電源故障所導致的這些問題，通?？梢栽谲浖喜扇∠鄳谋Ｗo措施來加以解決?；谑挛锏奶峤?mdash;回退機制[1]就是一種典型的解決方案?？梢宰C明，當EEPROM存儲器應用系統(tǒng)采用該機制后，無論電源何時掉電或微控制器何時被復位，EEPROM存儲子系統(tǒng)都可保持數(shù)據(jù)的完整性。

　　(1) 提交—回退機制的建立

　　提交—回退機制的建立包括兩方面的內容：一方面是定義EEPROM存儲器的邏輯結構;另一方面是構造對存儲子系統(tǒng)進行訪問、檢查和錯誤清理的接口函數(shù)。該機制將EEPROM存儲器劃分為主存儲區(qū)、校驗存儲區(qū)和緩存區(qū)3個部分。其中主存儲區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù);校驗存儲區(qū)用于存放主存儲區(qū)每個頁面的 CRC校驗碼，且該區(qū)中每一頁的最后一個CRC用于校驗本頁數(shù)據(jù);緩存區(qū)包括多個寫緩存，每個寫緩存包含4個域——數(shù)據(jù)域、地址域、狀態(tài)域和16位CRC 域。數(shù)據(jù)域用于臨時存放寫函數(shù)寫入的數(shù)據(jù)頁面，執(zhí)行下一個提交命令時，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域用來校驗整個寫緩存。

　　該機制提供了6個接口函數(shù)：讀、寫、提交、回退、檢查和清理。

　?、?讀函數(shù)。接收1個頁面編號和1個用于存放待讀出數(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，程序就會將指定的頁面數(shù)據(jù)讀入暫存區(qū)，并校驗數(shù)據(jù)的有效性。該函數(shù)會返回如下狀態(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)或保護失敗(protection failure)。

　?、?寫函數(shù)。接收1個頁面編號和1個指向填好數(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，程序就會將數(shù)據(jù)寫入非易失性緩存，并標記緩存狀態(tài)以準備提交。

　?、?提交和回退函數(shù)。提交和回退函數(shù)是可以在運行寫函數(shù)之后執(zhí)行的互補型操作。提交函數(shù)將最近被寫入緩存的數(shù)據(jù)復制到存儲區(qū)中的對應位置，并為下一個待寫入的數(shù)據(jù)頁面準備好緩存結構?；赝撕瘮?shù)實際上就是一個“取消”操作，它消除最近一次執(zhí)行寫函數(shù)產生的效果，并為下一個寫操作準備好緩存子系統(tǒng)。

　?、?檢查函數(shù)。讀取存儲器件的每個數(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)行的寫操作都會使檢查函數(shù)返回一個錯誤狀態(tài)。

　?、?清理函數(shù)。修復一個數(shù)據(jù)損壞的EEPROM。實際上，它將試圖找出發(fā)生的錯誤，并采取相應的解決措施。

　　(2) 提交—回退機制的應用

　　讀操作：調用讀函數(shù)來實現(xiàn)。

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

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

　　3 I2C通信的有效性保證措施

　　(1) 軟件復位

　　有時EEPROM器件可能需要執(zhí)行軟件復位序列來確保其處于正確并且已知的狀態(tài)。這在某些情況下會很有用。例如，在EEPROM上電時，若總線噪聲過大，EEPROM上電后將會進入不正確的狀態(tài);又如，微控制器在通信期間若發(fā)生復位，將會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、有效地實現(xiàn)通信，可以先發(fā)送圖1所示的軟件復位序列，使I2C接口器件可靠復位，之后，再啟動數(shù)據(jù)的傳輸過程?！　?/p>

 　　圖1 軟件復位序列

　　第1個起始位會使器件從期望接收微控制器數(shù)據(jù)的狀態(tài)復位。在該模式下，器件處于接收模式并監(jiān)視數(shù)據(jù)總線，能夠檢測到強制其內部復位的起始位。9 位“1”用于強制復位那些無法通過前面的起始位復位的器件。這只在以下情況下發(fā)生：器件處于在總線上驅動應答(低電平)的模式中;或處于輸出模式中，正在總線上驅動輸出數(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，所以無法產生前面的起始位(定義為SCL為高電平時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動為低電平，從而不應答EEPROM發(fā)送的數(shù)據(jù))，這樣也會強制進行內部復位。

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

　　最后的停止位將終止總線活動，并將EEPROM置于待機模式中。

　　(2) 檢查應答位

　　I2C通信的眾多優(yōu)點之一就是在接收到每個字節(jié)后發(fā)送應答位ACK。除了正在進行寫周期之外，I2C接口EEPROM在接收到每個字節(jié)后總會發(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，主器件可以在整個運行期間監(jiān)視接收到的ACK位，以檢測可能發(fā)生的任何錯誤。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)始終是一種好的做法,若接收到ACK為邏輯1，則需要執(zhí)行一個錯誤處理程序來確定器件為何沒有響應，并根據(jù)需要執(zhí)行軟件復位序列。

　　(3) 應答查詢

　　串行EEPROM上的寫操作要求在啟動寫操作后遵守寫周期時間，使器件有時間存儲數(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，微控制器應等待寫周期結束后再嘗試訪問EEPROM，這一點很重要。每個器件在其數(shù)據(jù)手冊中都給出了最長的寫周期時間，該參數(shù)通常用TWC表示。確保遵守寫周期時間的一種簡單方法是：在再次訪問EEPROM之前執(zhí)行規(guī)定時長的延時。但是，器件在短于規(guī)定的最長時間內完成寫周期是很尋常的事。因而，用這種延時方法會使EEPROM完成寫操作后的一段時間內微控制器仍在等待。為了消除這段額外的時間，使運行更加高效，強烈建議利用應答查詢功能。由于I2C接口EEPROM器件在寫周期內不會應答，所以可在發(fā)送停止條件并啟動器件的內部寫周期后持續(xù)地向器件發(fā)送寫命令控制字節(jié)并進行應答查詢，直到接收到指示寫操作已完成的ACK位為止。圖2是應答查詢流程。　　

 　　圖2 應答查詢流程

　　4 延長EEPROM使用壽命的方法

　　(1) 避免對同一區(qū)域反復執(zhí)行寫操作

　　不要在同一個單元或同一個頁面上反復執(zhí)行寫操作，尤其是不要將某個頁面設置成寫入任何其他頁面時都要更新的“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?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?shù)膶懖僮髂Ｊ剑墒?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字節(jié)時，應采用字節(jié)模式。而在需要改變存儲器中的某塊內容或全部內容時，寫操作模式的選擇原則是：首先應考慮塊寫模式，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)，當數(shù)據(jù)被改寫N次后轉到第2塊存放，等到第2塊中的數(shù)據(jù)被改寫N次后再轉到第3塊存放,依此類推,直到最后一個塊存放的數(shù)據(jù)被改寫N次后,又轉到第1個塊重新開始。在這種解決方案中，系統(tǒng)掉電后再上電時可用來確定數(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。

　　結語

　　健壯性設計是確保系統(tǒng)具有優(yōu)良質量特性的基本措施。本文介紹的技術實用、可靠，在對I2C串行EEPROM存儲器進行應用設計時應該盡可能地考慮這些技術。

　　參考文獻

　　[1] Maxim/Dallas公司.MAXQ環(huán)境下EEPROM的保護措施[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].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2005(6).

　　汪社民(高級工程師)，主要研究方向為智能化儀器儀表及嵌入式系統(tǒng)。