二线制I2C CMOS串行EEPROM

二线制I2C CMOS串行EEPROM是一种采用CMOS工艺制成的串行可用电擦除可编程随机读写存储器。

1、I2C总线特征介绍

I2C（Inter Integrated Circuit）双向二进制总线，简而言之就是有两根线。一根是数据线（sda），另一根是时钟线（scl）。

• scl，是输入端口
• sda，是输出/输出的双向端口
  I2C总线协议定义为：只有在总线处于“非忙”状态时，数据传输才能开始。数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定，否则数据线上任何变化都被当做“启动”或者“停止”信号。下图描述I2C双向二进制串行总线的协议波形图。
  
  I2C双向二进制串行总线.png
• A：总线非忙状态，数据线（sda）和时钟线（scl）都保持高电平。
• B：启动状态，数据线（sda）下降沿并且时钟线（scl）处于高电平。只有“启动信号”发出以后，其他的命令才有效。
• C：写状态，可以对数据线（sda）进行数据的写入修改，数据线（sda）可以变化并且时钟线（scl）处于低电平状态。
• D：读状态，数据线（sda）的数据不能改变，数据线（sda）不变并且时钟线（scl）处于高电平状态。
• E：停止状态，数据线（sda）上升沿并且时钟线（scl）处于高电平状态。
  注意：
  1、每一个数据的传输都会开始于“启动信号”，结束于“停止信号”。
  2、每个正在接收数据的EEPROM在接收到一个字节的数据后，通常需要发出一个应答信号，而每个正在发送数据的EEPROM在发出一个字节的数据后，通常要接收一个应答信号。
  3、所谓的应答信号是将数据线拉低，也就是低电平信号，非应答信号就是高电平信号。
  4、在读操作中，结束时发送非应答信号，然后发送通知信号。

1.1 EEPROM的写入和读出方式

串行EEPROM一般具有两种写入方式：一种是字节写入方式；一种是页写入方式。允许在一个写周期内对一个字节到一页的若干个字节进行编程写入。
为了程序的简单起见，我们这里只讨论串行EEPROM的一个字节的写入和读出方式。

1.2 写操作

EEPROM的写操作（字节编程方式）：通过读写控制器把一个字节数据发送到EEPROM中指定地址的存储单元。过程如下：EEPROM读写控制器发出启动信号，紧跟着是8位的控制字，然后接收到一个应答信号，接着是EEPROM存储单元的地址，然后接收到一个应答信号，接着是要写入的8位数据，然后接收到一个应答信号，便产生停止信号。

字节写入帧格式.png

8bit的控制字.png

在这里我还是想再次强调一下，sda上的应答信号有效时是低电平，非应答信号是高电平。sda是双向的，在进行数据的写入时，应答信号是接收到的，是输入信号；在进行控制字、地址和数据的写入时，是输出信号。深入理解sda上的数据是怎样来的是十分重要的，必须要彻底理清自己的思路才能着手写代码，要不然会十分混乱！

1.3 读操作

EEPROM的读操作：通过读写控制器读取EEPROM中指定地址的存储单元中的一个字节数据。串行EEPROM的读操作分为两步进行，读写控制器发送一个启动信号，紧接着是控制字，然后接收到一个应答信号，接着是EEPROM存储单元指定地址，然后接收到一个应答信号，再接着发送一个启动信号，紧接着是控制字，接收应答信号，读出数据，接收非应答信号，最后发出停止信号。

读指定地址存储单元的数据帧格式.png

这里要强调一下，在读操作进行时，在读出数据时，sda是输出端口并且接收一个非应答信号。
小结：充分了解I2C总线协议是很必要的，特别是对sda这个双向端口，何时是输出端何时是输入端更是对设计有着重要的影响。把握住全局，理清设计思路才能写出优秀的代码。下面，我们就EEPROM 的Verilog HDL程序进行一个专题的系列介绍。参照了夏宇闻老师的《Verilog 数字系统设计教程》。