EEPROM读写学习笔记与I2C总线（二）
无论任何电子产品都会涉及到数据的产生与数据的保存，这个数据可能并不是用来长久保存，只是在运行程序才会用到，有些数据体量较大对于获取时效性并不太强，各种各样的数据也就有不同的存储载体，这次在EEPROM读写中，顺道把看到的关于存储的一些东西整理一下，有些话来自于网友，所以还是那句话，看到的人要带着自己的思考去看，记住尽信书不如无书，fighting！！！
一、基本概念
最熟悉的两个词语应该是RAM与ROM，RAM（Random Access Memory）的全名为随机存取记忆体，它相当于PC机上的移动存储，用来存储和保存数据的。它在任何时候都可以读写，RAM通常是作为操作系统或其他正在运行程序的临时存储介质，它的一切都是最好的，唯一缺点断电一切东西都没有了。一般情况下，现在移动设备也多了，我们叫它内存，更通常的叫运行内存。还有一个熟悉的词DDR2或DDR3，后面还会学习到的。
ROM（Read Only Memory）的全名为唯读记忆体，它相当于PC机上的硬盘，用来存储和保存数据。ROM数据不能随意更新，但是在任何时候都可以读取。即使是断电，ROM也能够保留数据。但是资料一但写入后只能用特殊方法或根本无法更改，但这么久了ROM已经有了很大的发展，不再是最初的摸样了。rom最初不能编程，出厂什么内容就永远什么内容，不灵活。后来出现了prom，可以自己写入一次，要是写错了，只能换一片，自认倒霉。人类文明不断进步，终于出现了可多次擦除写入的EPROM，每次擦除要把芯片拿到紫外线上照一下，想一下你往单片机上下了一个程序之后发现有个地方需要加一句话，为此你要把单片机放紫外灯下照半小时，然后才能再下一次，这么折腾一天也改不了几次。历史的车轮不断前进，伟大的EEPROM出现了，拯救了一大批程序员，终于可以随意的修改rom中的内容了，这一段话就说出了ROM的发展历程。
狭义的EEPROM：这种rom的特点是可以随机访问和修改任何一个字节，可以往每个bit中写入0或者1。这是最传统的一种EEPROM，掉电后数据不丢失，可以保存100年，可以擦写100w次。具有较高的可靠性，但是电路复杂/成本也高。它的改写是由高电压或者由控制端的逻辑电平来完成的。因此目前的EEPROM都是几十千字节到几百千字节的，绝少有超过512K的。我们也就发现了EEPROM的确可以实现随意读写，EEPROM的全称是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。可介绍的这两种都不存在大容量并且也十分昂贵，那我们平时见到的几十G的存储设备是什么？flash就应运而生了。flash属于广义的EEPROM，因为它也是电擦除的rom。但是为了区别于一般的按字节为单位的擦写的EEPROM，我们都叫它flash。flash做的改进就是擦除时不再以字节为单位，而是以块为单位，一次简化了电路，数据密度更高，降低了成本。上M的rom一般都是flash。
ROM的应用
对数指数、三角函数等常规计算通过写出真值表，将自变量以地址码的形式输至ROM，用ROM表来实现。还有码制转换，例如二进制码转格雷码。脉冲序列发生器，伪彩色处理电路，也就是将一幅黑白图像变成彩色图像显示，将灰度图像对应到red , green , blue三个通道上，最后将三个通道的颜色值合成为需要显示的RGB颜色值即可。具体可参考 https://blog.csdn.net/huixingshao/article/details/42706699 。
接下来说一下flash的分类，flash分为nor flash和nand flash。nor flash数据线和地址线分开，可以实现ram一样的随机寻址功能，可以读取任何一个字节。但是擦除仍要按块来擦。nand flash同样是按块擦除，但是数据线和地址线复用，不能利用地址线随机寻址。读取只能按页来读取。NOR Flash的读取，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码。NAND Flash没有采取内存RAM的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。nandflash引脚上复用，因此读取速度比nor flash慢一点，但是擦除和写入速度比nor flash快很多。nand flash内部电路更简单，因此数据密度大，体积小，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可以进行字节寻址，所以程序可以在nor flash中运行。嵌入式系统多用一个小容量的nor flash存储引导代码，用一个大容量的nand flash存放文件系统和内核。
二、I2C总线
这个在我转载的一篇文章里面有很详细的描述，就不在提及了。有一个问题是无论UART还是I2C都是串行按位传输数据，区别在哪？还有SPI传输，下面分别总结一下三者的特点。
UART：两线，一根发送一根接收，可以全双工通信，数据异步传输，对双方的时序要求比较严格，在多机通信上面用的最多。按照标准波特率完成双向通讯，速度慢，之前提到采集一位数据就需要16个时钟周期，适合远距离传输，比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。UART需要固定的波特率，就是说两位数据的间隔要相等，
I2C：能用于替代标准的并行总线，能连接的各种集成电路和功能模块。I2C是多主控总线，所以任何一个设备都能像主控器一样工作，并控制总线。总线上每一个设备都有一个独一无二的地址，根据设备它们自己的能力，它们可以作为发射器或接收器工作。多路微控制器能在同一个I2C总线上共存，当然在任何时间点上只能有一个主控。一般用于同一板卡上芯片之间的通信，较少用于远距离通信。
SPI：SPI接口和UART相比，多了一条同步时钟线，对通信双方的时序要求不严格不同设备之间可以很容易结合，而且通信速度非常快。一般用在产品内部元件之间的高速数据通信上面，如大容量存储器flash等。高速同步串行口，3～4线接口，收发独立、可同步进行。
三、EEPROM通信举例
同样通过一个程序来学习里面内容。自加内容用红笔标出。
1)IIC_WR模块
写步骤：
a. 实现开始信号
b. 发送24LC04B设备地址，从机发送应答信号
c. 发送待存储数据的地址，接受应答信号
d. 发送待写入数据，接受应答信号
e. 实现结束信号
读步骤：
a. 实现开始信号
b. 发送24LC04B设备地址，从机发送应答信号
c. 发送待读取数据的地址，接受应答信号
d. 实现开始信号
e. 发送24LC04B设备地址，从机发送应答信号
f. 读取8位数据
g. 实现非应答信号
h. 实现结束信号
通过状态机 i 来切换 IIC 的不同状态，譬 如接收到写命令，状态机ｉ=0 转入 Start 状态，SDA 先变低，再 SCL 变低；状态机ｉ=1 开 始 转 入 写 设 备 地 址 0xA0; 之 后 状 态 机 转 到 ７ 开 始 发 送 ８ 位 的 数 据 ， 其 中 状 态 机 i=7,8,9,10,11,12,13,14 是 IIC 发送８位的数据，然后状态机进入 i=15 等待 IIC 从设备的应答 信号。状态机 i=16 为判断是否有应答，如果有的话状态机转到 i=2 写 IIC 的地址,然后状态机 又是重复ｉ=7,8,9,10,11,12,13,14 发送地址和 i=15 等待应答，i=16 判断应答。最后状态机 i=3 开始发送 IIC 写数据。发送完数据 i=4 发送 Stop 信号。
1 module iic_com 2 ( 3 input CLK, 4 input RSTn, 5 6 input [1:0] Start_Sig, //read or write command 7 input [7:0] Addr_Sig, //eeprom words address 8 input [7:0] WrData, //eeprom write data 9 output [7:0] RdData, //eeprom read data 10 output Done_Sig, //eeprom read/write finish 11 12 output SCL, 13 inout SDA 14 15 ); 16 17 parameter F250K = 9'd200; //250Khz的时钟分频系数 //200分频系数不必要用到9位，可改为8 18 19 reg [4:0]i; //用来只是状态机 20 reg [4:0]Go; 21 reg [8:0]C1; 22 reg [7:0]rData; //读信号 23 reg rSCL; 24 reg rSDA; 25 reg isAck; 26 reg isDone; //结束信号 27 reg isOut; 28 29 assign Done_Sig = isDone; 30 assign RdData = rData; 31 assign SCL = rSCL; 32 assign SDA = isOut ? rSDA : 1'bz; //SDA数据输出选择 //SDA的数据输出受到SCL的控制，SCL为高时SDA保持不变，在接收应答位期间SDA也受控制 33 34 //****************************************// 35 //* I2C读写处理程序 *// 36 //****************************************// 37 always @ ( posedge CLK or negedge RSTn ) 38 if( !RSTn ) begin 39 i <= 5'd0; //状态机初始为0 40 Go <= 5'd0; 41 C1 <= 9'd0; 42 rData <= 8'd0; 43 rSCL <= 1'b1; //数据线和时钟线保持高电平初始值 44 rSDA <= 1'b1; 45 isAck <= 1'b1; //信号为低电平时规定为有效应答位，高电平为非有效应答位。 46 isDone <= 1'b0; 47 isOut <= 1'b1; 48 end 49 else if( Start_Sig[0] ) //I2C 数据写 //start_sig用来判断数据为读或写 50 case( i ) 51 52 0: //发送IIC开始信号 53 begin 54 isOut <= 1; //SDA端口输出 55 56 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b1; 57 else if( C1 == 200 ) rSCL <= 1'b0; //SCL由高变低 //分频系数为200，计数到200表明经过一个新的时钟周期时钟线变为低电平。 58 59 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b1; 60 else if( C1 == 100 ) rSDA <= 1'b0; //SDA先由高变低 //计数到100时，rSDA变为低电平，符合信号开始发送条件。 61 62 if( C1 == 250 -1) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end 63 else C1 <= C1 + 1'b1; //i=0用来表示开始信号发送，根据SDA与SCL变化可得，此处C1到达249,表示又过了四分之一个新时钟周期，i+1，运行下一步 64 end 65 66 1: // Write Device Addr 67 begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b0}; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end //非阻塞赋值，Go为2 68 69 2: // Wirte Word Addr 70 begin rData <= Addr_Sig; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end //addr_sig为word address，Go为3 71 72 3: // Write Data 73 begin rData <= WrData; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end //写入数据，Go为4，WrData数值赋给rData。 74 75 4: //发送IIC停止信号 76 begin 77 isOut <= 1'b1; 78 79 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 80 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL先由低变高 81 82 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0; 83 else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b1; //SDA由低变高 //SCL处于高电位时，SDA由低到高变化，处于结束位 84 85 if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end 86 else C1 <= C1 + 1'b1; 87 end 88 89 5: 90 begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end //写I2C 结束 91 92 6: 93 begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end 94 95 7,8,9,10,11,12,13,14: //发送Device Addr/Word Addr/Write Data 96 begin 97 isOut <= 1'b1; //isout=1， SDA <= rSDA 98 rSDA <= rData[14-i]; //高位先发送 99 100 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 101 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL高电平100个时钟周期,低电平100个时钟周期 102 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 103 104 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end //产生250Khz的IIC时钟 //i=14运行之后，状态机i=15 105 else C1 <= C1 + 1'b1; 106 end 107 108 15: // waiting for acknowledge 109 begin 110 isOut <= 1'b0; //SDA端口改为输入 111 if( C1 == 100 ) isAck <= SDA; //读取IIC 从设备的应答信号 112 113 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 114 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL高电平100个时钟周期,低电平100个时钟周期 115 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 116 117 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end //产生250Khz的IIC时钟 118 else C1 <= C1 + 1'b1; 119 end 120 121 16: 122 if( isAck != 0 ) i <= 5'd0; //判断是否接收到应答信号 123 else i <= Go; //状态机i=1时，计算出i=2 124 125 endcase 126 127 else if( Start_Sig[1] ) //I2C 数据读 128 case( i ) 129 130 0: // Start 131 begin 132 isOut <= 1; //SDA端口输出 133 134 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b1; 135 else if( C1 == 200 ) rSCL <= 1'b0; //SCL由高变低 136 137 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b1; 138 else if( C1 == 100 ) rSDA <= 1'b0; //SDA先由高变低 139 140 if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end 141 else C1 <= C1 + 1'b1; 142 end 143 144 1: // Write Device Addr(设备地址) 145 begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b0}; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end //先进行一个伪写操作 146 147 2: // Wirte Word Addr(EEPROM的写地址) 148 begin rData <= Addr_Sig; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end 149 150 3: // Start again 151 begin 152 isOut <= 1'b1; //开始进行读操作 153 154 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 155 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; 156 else if( C1 == 250 ) rSCL <= 1'b0; 157 158 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0; 159 else if( C1 == 50 ) rSDA <= 1'b1; 160 else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b0; 161 162 if( C1 == 300 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end 163 else C1 <= C1 + 1'b1; 164 end 165 166 4: // Write Device Addr ( Read ) 167 begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b1}; i <= 5'd9; Go <= i + 1'b1; end 168 169 5: // Read Data 170 begin rData <= 8'd0; i <= 5'd19; Go <= i + 1'b1; end 171 172 6: // Stop 173 begin 174 isOut <= 1'b1; 175 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 176 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; 177 178 if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0; 179 else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b1; 180 181 if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end 182 else C1 <= C1 + 1'b1; 183 end 184 185 7: //写I2C 结束 186 begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end 187 188 8: 189 begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end 190 191 192 9,10,11,12,13,14,15,16: //发送Device Addr(write)/Word Addr/Device Addr(read) 193 begin 194 isOut <= 1'b1; 195 rSDA <= rData[16-i]; //高位先发送 //将rData数据赋值给数据线，伪写操作 196 197 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 198 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL高电平100个时钟周期,低电平100个时钟周期 199 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 200 201 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end //产生250Khz的IIC时钟 202 else C1 <= C1 + 1'b1; 203 end 204 205 17: // waiting for acknowledge 206 begin 207 isOut <= 1'b0; //SDA端口改为输入 208 209 if( C1 == 100 ) isAck <= SDA; //读取IIC 的应答信号 210 211 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 212 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL高电平100个时钟周期,低电平100个时钟周期 213 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 214 215 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end //产生250Khz的IIC时钟 216 else C1 <= C1 + 1'b1; 217 end 218 219 18: 220 if( isAck != 0 ) i <= 5'd0; 221 else i <= Go; 222 223 224 19,20,21,22,23,24,25,26: // Read data 225 begin 226 isOut <= 1'b0; 227 if( C1 == 100 ) rData[26-i] <= SDA; //高位先接收 228 229 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 230 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL高电平100个时钟周期,低电平100个时钟周期 231 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 232 233 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end //产生250Khz的IIC时钟 234 else C1 <= C1 + 1'b1; 235 end 236 237 27: // no acknowledge 238 begin 239 isOut <= 1'b1; 240 241 if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0; 242 else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; 243 else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0; 244 245 if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= Go; end 246 else C1 <= C1 + 1'b1; 247 end 248 249 endcase 250 251 252 253 254 endmodule
