【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART9

Posted By Liang Bird on 8 月 19, 2024 in Flash 記憶體, Maker電子學, 教學文, 電子學 | 0 comments

作者：Bird

上一回【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART8（I²C EEPROM）中，我們說明了如何利用 I²C 上的通訊來讀取和寫入 24LC64 這顆 I²C EEPROM 的內容。EEPROM 的讀取速度很快，跟得上 I²C bus 的存取速度，但是寫入的速度很慢，因此在寫入時，需要一些特別的等待處理。

這一回我們就來看看這個等待要怎麼做。

寫入有多慢？

我們來看一下 24LC64 的 datasheet 中，關於時間特性的描述。下面這個表是 24LC64 的 AC characteristics，它說明了 24LC64 的各種訊號所需要的時序要求。

（圖片來源：Bird 提供）

比方說，output valid from clock，就是告訴我們，在 I²C bus 的 SCL 變為 low 後，SDA 最長還會維持多久不變化。根據 I²C bus 的規格，SDA 在 SCK 為 high 的時候不能變化，而在 SCL 為 low 的時候可以變化到下一個狀態，但實務上兩者不會同時變動，也就說 SDA 並不會在 SDL 變成 low 的瞬間就一起變化。

在數位訊號的世界裡，沒有真正的「同時」這種事，只要你把觀察的尺度放得夠大，都看得到時間差異，因此為了保證 SCL 為 high 的時候 SDA 絕對不會變化，一般在設計晶片內部 I²C 的電路時，都會確定 SCL 變為 low 之後，SDA 才開始變化，因此 SDA 會在 SCL 變為 low 之後再稍微等待一小段時間，才開始變化，這個時間就是 datasheet 上的 output valid from clock。

從 datasheet 上可以看出來，很多的時序都會隨著供電電壓的變化而不同。當 24LC64 的供電電壓在 1.7 V-2.5 V 時，它切換邏輯訊號的速度會比較慢，因此只能跑到 100 KHz 的 standard-mode；如果要跑 400 KHz 的 fast-mode，就要用 2.5 V 以上的電壓供電，至於如果要跑 1 MHz 的 fast-mode plus，則需要使用高速版本的晶片 24 FC64。

這整張表裡面大部分的數字都是以 ns 為單位，唯獨有一個特性的單位是 ms，就是 write cycle time。

Write cycle time 就是 24LC64 寫入資料所需要的時間，根據 datasheet 上的說明，不管是寫入一個 byte 還是寫入一個 page，最長都可能會需要 5ms。

5 ms 對現在的 MCU 來說是一個很長的時間。以很常用的 STM32F030 來說，它的 Cortex-M0 核心大部分是 single-cycle 的指令，也就是說每一個 clock 可以執行一個指令；STM32F030 可以輕輕鬆鬆跑到 48 MHz，也就說它一秒鐘可以跑 48,000,000 個 single-cycle 指令，換算一下 5 ms 可以跑：

48000000 * 0.005 = 240,000

24 萬個 single-cycle 指令！

為什麼需要這麼長的時間呢？這跟 24LC64 內部的結構還有 EEPROM 的原理有關。

EEPROM 的寫入方式

雖然我們都說 EEPROM 可以逐個 byte 去抹除、寫入，但是實務上在設計晶片時，抹除的電路不會涉及到 byte 這麼小的單位。在 24LC64 內部，抹除和寫入都是以「page」為單位在進行，而一個 page 是 32 bytes。

當我們要寫入某一個特定位址的 byte 時，24LC64 會利用一個 buffer 暫存整個 page 的資料，抹除整個 page 之後，再把整個 page 連同新的資料一起寫進去，因此在 24LC64 的 datasheet 上有這麼一句耐人尋味的說明：