I2C串行EEPROM應用系統(tǒng)的健壯性設(shè)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(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，在使用時也存在著一些條件會潛在地導致其產(chǎn)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(shè)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(shè)計，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(qū)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(guān)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(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(nèi)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(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(nèi)，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(nèi)，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(jié)構(gòu)?；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(chǎn)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(diào)用讀函數(shù)來實現(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(nèi)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(qū)動應答(低電平)的模式中;或處于輸出模式中，正在總線上驅(qū)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(chǎn)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(qū)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(nèi)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(qū)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(nèi)不會應答，所以可在發(fā)送停止條件并啟動器件的內(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?！　?/p>

 　　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(shè)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?，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(nèi)容或全部內(nèi)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(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,直到最后一個塊存放的數(shù)據(jù)被改寫N次后,又轉(zhuǎn)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(jié)語

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

　　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)。