常用串列EEPROM的編程應用（三）完結篇

SPI匯流排
　　SPI匯流排(Serial Peripheral Interface串列外圍裝置介面匯流排)是三線式的串列匯流排，是由摩托羅拉公司所研發，使用三線進行資料轉送，分別是SCK時鐘引腳，SI資料輸入引腳和SO資料輸出引腳，另外還有CS片選引腳可以對同一匯流排上的晶片進行選通使用，SPI匯流排已被廣泛使用在EEPROM、單片機和各種裝置中。常用串列EEPROM中的25XX系列晶片就是使用相容SPI匯流排結構，採用先進COMS技術，體積小，是一種理想的低功耗非易失性儲存空間，廣泛使用在各種家電、通訊、交通或工業裝置中，通常是用於儲存裝置或個人的相關設定資料。ATMEL公司生產的25系列的EEPROM儲存容量從1K位到256K位。其它一些晶片也會用到SPI匯流排，如常用的CPU監控晶片X5043、X5045就帶有512位元組的SPI介面EEPROM，常用於單片機系統的看門狗電路，同時也可以提供小資料量的儲存，給電路設計帶來很多的方便。此文將用X5045為例講述SPI的編程應用和X5045的一些其它功能。X5045由Xicor公司出品，電壓範圍有2.7V到5.5V和4.5V到5.5V二個版本，擦寫次數可達一百萬次，最高時鐘頻率可達3.3MHz。圖一是X5045的PID封裝實物圖。

圖1

圖2

　　圖二是X5045的引腳定義圖。CS/WDI是片選和看門狗複位輸入，當CS為高時SO引腳變為高阻態，這時可以允許其它器件共用SPI匯流排，同時晶片也處於休眠狀態，當CS為低時晶片被選中，並從休眠狀態中喚醒，可以進行讀寫操作。SO是串列資料輸出，在讀晶片時資料從此腳輸出。WP是防寫保護引腳，當WP為低時晶片防寫保護，不能對晶片寫操作，但其它功能不受影響。Vss是電源地。SI是串列資料輸入，接收來自控制器的資料和地址。SCK是串列時鐘輸入，RESET是複位輸出，Vcc是電源。在25晶片中還有一個HOLD引腳，此引腳的功能是保持輸入腳，ATMEL公司生產25晶片的HOLD引腳是低電平有效。不用此功能時，HOLD引腳要保持高電平。在晶片正在串列傳輸時，將HOLD拉為低電平，可以暫停進一步的傳送，具體方法是SCK變低後，將HOLD也拉低，不然在下一個SCK變低前不能暫停傳送，要恢複串列傳送，必須在SCK為低電平時將HOLD拉高。晶片處於暫停時，SI，SO，SCK腳為高阻狀態，任何時刻只要HOLD被拉低時，SO都會處於高阻狀態。
　　限於文章的篇幅，下面內容只著重介紹X5045晶片的SPI匯流排對EEPROM單元的編程應用。在X5040晶片中有6個指令，它和25系列晶片的指令是相容的，也就是說在25系列晶片中使用時基本上是不需要改變的，具體見表一。

指　令	指令格式	說　明
WREN	0000 0110	寫入允許
WRDI	0000 0100	寫入禁止
RSDR	0000 0101	讀狀態寄存器
WRSR	0000 0001	寫狀態寄存器，用於操作區塊防寫保護標識和看門狗標識
READ	0000 A8011	讀資料
WRITE	0000 A8010	寫資料

注:A8用於資料地址的第9位。

表一　指令集

寫入允許和禁止
　　X5045晶片內部有一個寫入使能寄存器，在需要向晶片寫入資料時，需要先用WREN指令使片內寫入使能寄存器先置位，寫入資料後可以用WRDI指令使寄存器複位到禁止狀態。當上電、WRSR指令執行、WRITE指令執行、WP拉低也會使寫入使能寄存器複位到禁止狀態。圖三是WREN/WRDI指令的操作時序圖。首先要把CS拉低，輸入資料，向SCK輸入時鐘訊號，資料在時鐘的上升沿有效，時鐘上升後至少資料至少保持30ns。資料是串列的，所以在每個刻度的上升沿發送一個位。在操作這兩個指令時，SO是處於高阻狀態的。

圖3寫入使能時序

讀寫狀態寄存器
　　X5045片內有一個狀態寄存器，用於指於晶片的狀態和設定，可以讀寫，晶片出廠時狀態寄存器值為30H。具體每位的功能請看錶2。WIP寫入保護位，是唯讀位，指示晶片是否正忙於寫入操作。當WIP為"1"時，說明寫入進行中，為"0"時表示沒有進行寫入。在編程時，寫入資料操作後，可以查詢WIP位，當WIP為0後才進行下一次的寫入操作，這樣可以避免寫入出錯。WEL寫入使能狀態位，是唯讀位。WEL位的狀態由WREN和WRDI指令確定，WREN成功執行後WEL為"1"指示允許寫入資料，WRDI指令成功執行後WEL為"0"指示禁止寫入資料。在編程時可以先查詢WEL位的狀態，如為0時則要執行WREN後才可以進行寫入操作。BL0、BL1設定當前保護的區塊地址，是可讀寫位，這兩個位的設定和區塊地址的關係如表3，區塊的內容被保護後，就只能讀出而不能寫入了。25系列晶片中不同型號的晶片容量不一樣，BL設定所保護的範圍也不一樣。WD1、WD0看門狗設定位是X5045/43特有的設定位，是可以讀寫位，在25系列晶片中這兩個位是保留位，在X5045中有看門狗功能，這兩個位就用於設定MCU喂狗的時間，表4是看門狗位的設定時間。狀態寄存器的第6和第7位是保留位。讀狀態寄存器時，發送完RSDR指令後，SO由高阻態轉為輸出資料，從資料位元的高位開始。寫狀態寄存器，發送完WSDR指令後，再發一個位元組的狀態資料就可以了，其中唯讀位可以是"1"也可以是"0"，它們不會被WSDR指令所更改。圖5、圖6是讀寫狀態寄存器的時序圖。

7	6	5	4	3	2	1	0
0	0	WD1	WD0	BL1	BL0	WEL	WIP
0	0	看門狗位1	看門狗位0	區塊保護1	區塊保護0	寫入使能狀態位	寫入保護位

表2　狀態寄存器定義

BL1	BL0	保護位址範圍
0	0	無保護
0	1	180H－1FFH
1	0	100H－1FFH
1	1	000H－1FFH

表3　BL設定位

WD1	WD0	喂狗時間
0	0	1.4秒
0	1	600毫秒
1	0	200毫秒
1	1	功能禁用（出廠設定）

表4　看門狗設定位

圖4讀狀態寄存器時序

圖5寫狀態寄存器時序

讀資料
　　圖6是讀資料時的時序，先拉低CS選中晶片，先要把需讀取的地址的第9位加到指令位元組的第4個位元組中，發送完指令位元組就發送地址位元組的前8位，這時SO就會由高阻態轉為輸出資料。每當一個位元組的資料傳送完畢後，晶片內部的地址指標自動加1，指向下一個資料地址，這時如仍有時鐘脈衝時，資料會被繼續輸出，CS腳拉高後輸出才會終止。當最高位地址的資料被讀出後，地址指標指向00H。

圖6讀資料時序(點擊看大圖)

寫資料
　　在向晶片寫入資料之前，寫使能寄存器必須處於置位狀態，一般可以不必查詢寫使能寄存器的狀態，而直接用WREN置位寫使能寄存器。在發送完WREN指令後，必須把CS拉高，在CS拉高之前寫使能寄存器並沒有置位，這時向晶片傳送資料是不會被寫入的。寫使能寄存器置位後，再將CS拉低，把需讀取的地址的第9位加到指令位元組的第4個位元組中，發送完指令位元組就發送地址位元組的前8位，然後發送需寫入的資料。WRITE指令可以連續寫入16個位元組，但這16個位元組的地址必須在同一頁中。每一頁的地址由[xxxxx0000]開始，到[xxxxx1111]結束。操作方法就是在發送完每一個地址和資料後，繼續發後面的資料，晶片內部的地址指標會自動累加，當達到頁中最後一個位元組時，時鐘仍在繼續，則內部地址指標回到頁中第一個地址重新開始累加，並覆蓋以前寫入的資料。要注意的是，在操作過程中CS不能拉高，只有在資料位元組的最後一個位傳送完成後才可以拉高CS，不然寫入操作將不完全。在寫入資料或寫狀態寄存器指令寫送後，晶片會進入一次非易失性寫操作，這會花費一定的時間，最大約為10ms，在這個時間內可以用讀狀態寄存器，並檢查WIP位，當WIP為1時則說明寫入還在進行中，只有當WIP位為0時才可以進行下一次的讀寫資料操作，否則將會使寫入不完全。

圖7寫資料時序(點擊看大圖)

　　下面我們用AT89C2051和X5045為主做一個密碼控制器實驗。使用X5045的看門狗功能可以使電路在受到幹擾或特殊情況死機後，可以自動複位重啟電路，使電路保持正常工作。使用X5045的資料讀寫功能，可以儲存密碼，也可以修改密碼。本文附帶的執行個體程式示範X5045的狀態寄存器的讀寫、儲存位的讀寫，裡面的功能函數可以直接移植到別的程式中。電路上電後，紅色LED亮，當按下按鍵時綠色LED閃亮一下，當按下"3,1,5,8,1,8"，密碼正確，紅色LED滅，綠色LED亮，繼電器開啟，10秒後回到上電時的狀態。當按下第一次按鍵後20秒內沒有按下正確的索引值，則會進行下一次索引值輸入。程式可以方便修改成可以方便更改密碼的程式，也可以加入記錄工作次數的程式等等，升級成更實用的程式。圖9是筆者用萬用板搭建成的實驗電路。在上一篇提供的EEPROM讀寫器電路及程式也支援25系列晶片和X5043/45晶片，可以直接使用它來讀寫。

圖7原理圖(點擊看大圖)

圖9實物圖