EEPROM 电路设计指南

I²C 24Cxx / SPI 25xx / Microwire 93xx / UNI/O 11xx / 并行 28Cxx · FRAM · NVSRAM 对比与选型 ｜ 编制日期 2026-09-23 ｜ 版本号 Rev 1.0

0 · 文档说明

适用范围

• 本文针对串行 / 并行 EEPROM（Electrically Erasable PROM，电可擦除可编程只读存储器）的硬件电路设计，覆盖 128 bit ~ 2 Mb（16 B ~ 256 KB）常见容量段，接口涵盖 I²C（24Cxx / 24AAxx / 24LCxx）、SPI（25AA / 25LC xx）、Microwire（93xx）、UNI/O（11xx）与并行总线（28Cxx）。
• 适用对象：MCU / SoC / FPGA / 专用 ASIC 的小容量非易失参数存储——校准数据、序列号、MAC 地址、运行计数器、用户配置、故障日志、EDID / SPD / OTP 等。
• 内容包含：选型对比、封装引脚、电气参数、四种串行协议细节、电源与掉电保护、典型电路（内联原理图）、I²C 上拉电阻与总线负载计算、Layout、信号完整性、可靠性、生产、排查与检查清单。
• 同时给出 FRAM（铁电存储器）与 NVSRAM（非易失 SRAM）作为 EEPROM 替代方案的对比与替换注意事项。
• 不包含：文件系统实现、具体厂商寄存器全表、I²C/SPI 主机控制器 IP 设计。所有参数一律以目标型号 datasheet 为准。

本系列其他文档

1 · 器件基础

1.1 定位与选型对比

EEPROM 在整个存储器谱系里的位置很明确：容量最小、每 KB 最贵，但可以按字节改写、无需先擦除、接口最简单、掉电后数据保持最久。下面把它与常见的替代 / 相邻方案横向对比。

FRAM 替代 EEPROM（FM24CL64 / MB85RC 系列）的优劣

1.2 封装与引脚定义

引脚功能表（I²C SOP-8，以 24C02 为例）

引脚功能表（SPI SOP-8，以 25AA / 25LC 系列为例）

常见封装与尺寸

1.3 关键电气参数

1.4 容量、页大小与地址结构

这是 EEPROM 硬件设计里最容易出错的一节：页大小、地址字节数、可用地址引脚数，全部随容量变化。同一块 PCB 上把 24C02 换成 24C04，可能直接导致总线地址冲突。

器件地址的 7 位 / 8 位表示

I²C 器件地址本身是 7 位。对 24Cxx 而言固定高 4 位为 1010：

7 位地址   = 1 0 1 0  A2 A1 A0        → 24C02 且 A2A1A0 = 000 时，7 位地址 = 0x50
8 位写地址 = (7位地址 << 1) | 0       → 0xA0
8 位读地址 = (7位地址 << 1) | 1       → 0xA1

常见误区：把 0xA0 当成"7 位地址"填进 MCU 的 I2C->OAR / 地址寄存器。
         多数 MCU 的 HAL 要求填 7 位地址（0x50），驱动内部再左移；
         也有部分驱动要求直接填 8 位（0xA0）。填错表现为"地址整体偏移一位"，
         现象是扫描时器件出现在 0x28 / 0xA0 等意外位置。

2 · 接口与协议

2.1 I²C 总线基础与器件地址

I²C 是两线、开漏（open-drain）、线与（wired-AND）的同步串行总线：SCL 由主机产生，SDA 双向。所有器件只能把总线拉低或释放，高电平完全由上拉电阻提供——这就是第 5 章上拉电阻计算如此关键的原因。

控制字节（Control Byte）格式

  bit:     7    6    5    4    3    2    1    0
         ┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
         │ 1  │ 0  │ 1  │ 0  │ A2 │ A1 │ A0 │ R/W│
         └────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┴────┘
           └─── 器件类型码 1010（EEPROM 固定）───┘   └─ 1=读 / 0=写

 24C02 且 A2A1A0=000：写 = 0xA0    读 = 0xA1   （7 位地址 = 0x50）
 24C16（无地址脚）  ：占用 0xA0 ~ 0xAF 全部 16 个 8 位地址
 24C04（A0→P0）    ：P0 占据 bit1 位置，A2/A1 在 bit3/bit2
 24C08（A1A0→P1P0）：P1P0 占据 bit2/bit1，A2 在 bit3

内部地址字（Word Address）

2.2 I²C 写操作与 ACK 轮询

字节写（Byte Write）

1. 主机发 START；
2. 发控制字节（1010 A2A1A0 0），器件回 ACK；
3. 发内部地址字（1 或 2 字节，每字节后 ACK）；
4. 发 1 个数据字节，器件回 ACK；
5. 主机发 STOP → 器件启动内部写周期 tWR；
6. tWR 期间器件不响应任何总线访问（对寻址返回 NACK）。

页写（Page Write）与回卷

页写把第 4 步的单个数据字节扩展为连续 N 个字节（N ≤ 页大小），每字节后都有 ACK，最后 STOP 后一次性进入 tWR。只在页内地址低位递增，高位锁存——因此绝不能跨页。

ACK 轮询（Acknowledge Polling）

写周期结束前器件对所有寻址返回 NACK。因此可以用"反复发送写控制字节并检测 ACK"来判断写完成，比死等 10 ms 快得多（实测典型 3 ~ 5 ms 即完成），在高吞吐写入场景下收益明显。

/* 等待 EEPROM 内部写周期结束（ACK 轮询），返回 0=就绪 1=超时 */
uint8_t eeprom_wait_ready(uint8_t dev7, uint32_t timeout_ms)
{
    uint32_t t0 = millis();
    while ((uint32_t)(millis() - t0) < timeout_ms) {
        i2c_start();
        if (i2c_write_byte((dev7 << 1) | 0) == ACK) {   /* 收到 ACK = 写周期已结束 */
            i2c_stop();
            return 0;
        }
        i2c_stop();
        delay_us(200);          /* 轮询间隔 100 ~ 500 µs，不宜过密 */
    }
    return 1;                   /* 超时：可能是器件损坏、总线挂死或 WP 一直有效 */
}

带页边界切分的写函数（推荐实现）

/* 通用 EEPROM 写：自动按页切分 + ACK 轮询，规避页写回卷 */
#define PAGE_SIZE    32u        /* 24C64 = 32 B；24C02 = 8 B；按 1.4 表取值 */
#define DEV_ADDR     0x50u      /* 7 位地址，A2A1A0 = 000 */

int eeprom_write(uint16_t addr, const uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint16_t idx = 0;
    while (idx < len) {
        /* 1) 计算本页剩余字节数：页边界对齐 */
        uint16_t page_off = addr & (PAGE_SIZE - 1);        /* 页内偏移 */
        uint16_t chunk    = PAGE_SIZE - page_off;          /* 本页可写字节数 */
        if (chunk > (len - idx)) chunk = len - idx;

        /* 2) 一帧页写 */
        if (eeprom_wait_ready(DEV_ADDR, 20)) return -1;    /* 等上次写完成 */
        i2c_start();
        i2c_write_byte((DEV_ADDR << 1) | 0);               /* 写控制字节 */
        i2c_write_byte((uint8_t)(addr >> 8));              /* 地址高字节（≥32Kb 时）*/
        i2c_write_byte((uint8_t)(addr & 0xFF));            /* 地址低字节 */
        for (uint16_t i = 0; i < chunk; i++)
            i2c_write_byte(buf[idx + i]);
        i2c_stop();                                        /* STOP 后启动 tWR */

        addr += chunk;  idx += chunk;
    }
    return eeprom_wait_ready(DEV_ADDR, 20) ? -2 : 0;
}

2.3 I²C 读操作

/* 随机读 + 顺序读：addr → buf，共 len 字节 */
int eeprom_read(uint16_t addr, uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    if (eeprom_wait_ready(DEV_ADDR, 20)) return -1;   /* 读之前也要等上一次写完成 */

    i2c_start();
    i2c_write_byte((DEV_ADDR << 1) | 0);              /* 伪写：器件地址 + W */
    i2c_write_byte((uint8_t)(addr >> 8));
    i2c_write_byte((uint8_t)(addr & 0xFF));

    i2c_start();                                       /* 重复 START（不得先 STOP）*/
    i2c_write_byte((DEV_ADDR << 1) | 1);               /* 器件地址 + R */

    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        buf[i] = i2c_read_byte(i == (len - 1) ? NACK : ACK);
    }
    i2c_stop();                                        /* 读操作没有 tWR，可立即继续访问 */
    return 0;
}

2.4 SPI EEPROM（25AA / 25LC 系列）

SPI EEPROM 与 I²C EEPROM 的存储器阵列几乎相同（同样的 tWR、endurance、保持期），差别只在接口：SPI 为四线推挽（CS#/SCK/SI/SO）+ 两个控制脚（WP#/HOLD#），速率更高、无总线电容限制、无地址冲突问题，代价是多占 2~4 个 MCU 引脚。

指令集

状态寄存器（Status Register）

  bit:     7      6      5      4      3      2      1      0
         ┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
         │ WPEN │  x   │  x   │  x   │ BP1  │ BP0  │ WEL  │ WIP  │
         └──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
   WIP  = 1：写操作进行中（Write In Progress）  ← 轮询此位等待写完成
   WEL  = 1：写使能锁存已置位（Write Enable Latch）
   BP1/BP0：块保护（00=无保护 01=高 1/4 10=高 1/2 11=全片）  ← 编码因厂商/容量而异
   WPEN = 1：WP# 引脚生效（配合 WP#=0 时禁止 WRSR）

  注意：部分厂商把 bit0 定义为 nRDY（0=忙 / 1=就绪），极性相反，
        移植驱动时务必核对：while(RDSR & 0x01); 与 while(!(RDSR & 0x01)); 差之一位谬以千里。

地址字节数与页大小

/* SPI EEPROM 写一页（25AA256，页 64 B）——注意 CS# 每帧必须完整拉高 */
void spi_eeprom_write_page(uint16_t addr, const uint8_t *buf, uint8_t len)
{
    uint8_t sr;
    CS_LOW();  spi_xfer(0x05);  sr = spi_xfer(0xFF);  CS_HIGH();   /* RDSR */
    while (sr & 0x01) {                                            /* WIP=1 则等待 */
        CS_LOW();  spi_xfer(0x05);  sr = spi_xfer(0xFF);  CS_HIGH();
    }

    CS_LOW();  spi_xfer(0x06);  CS_HIGH();        /* WREN：必须在 CS# 上升沿生效 */

    CS_LOW();
    spi_xfer(0x02);                               /* WRITE */
    spi_xfer((uint8_t)(addr >> 8));               /* 地址高字节在前 */
    spi_xfer((uint8_t)(addr & 0xFF));
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++)
        spi_xfer(buf[i]);                         /* len ≤ 64 且不跨页 */
    CS_HIGH();                                    /* 上升沿启动内部写周期 tWC ≈ 5 ms */

    CS_LOW();  spi_xfer(0x04);  CS_HIGH();        /* WRDI（可选，写后 WEL 自动清）*/
}

HOLD# 的正确用法

HOLD# 在传输中途拉低可以冻结当前指令（器件忽略 SCK，SI/SO 保持），此时主机可把总线让给其它从机，之后拉高 HOLD# 继续。注意：

• HOLD# 只能在 SCK 为低电平时切换，否则当前位可能被破坏；
• HOLD# 期间 CS# 必须保持低电平；
• 单主单从系统基本用不到，但引脚必须上拉（见 1.2 的警告框）。

2.5 Microwire 93xx（93C46 / 56 / 66 / 76 / 86）

Microwire 是三线同步串行接口（CS / SK / DI / DO，DI 与 DO 分开，实为四线半双工），多见于老设计、汽车电子与部分国产 MCU 生态。

指令帧格式（以 93C46，ORG=0 即 8 位组织为例）

  帧 = 起始位(1) + 操作码(2 bit) + 地址(7 bit) [+ 数据(8 或 16 bit)]

  ┌───┬───────┬───────────┬─────────────┐
  │ 1 │  OP   │   A6..A0  │   D7..D0    │
  └───┴───────┴───────────┴─────────────┘
   READ   = 1 10 A6..A0                   → DO 输出 8/16 bit（前面有一个前导 0）
   EWEN   = 1 00 11xxxxx                  → 写使能（必须先执行）
   WRITE  = 1 01 A6..A0  + D7..D0         → CS 上升沿后启动 tWC
   ERASE  = 1 11 A6..A0                   → 擦除单个单元
   ERAL   = 1 00 10xxxxx                  → 整片擦除
   WRAL   = 1 00 01xxxxx + D              → 整片写同一数据
   EWDS   = 1 00 00xxxxx                  → 写禁止（写完建议执行，防误写）

  地址位宽随容量变化：93C46 = 7 bit（ORG=0）/ 6 bit（ORG=1）
                     93C56 = 8 / 7 bit，93C66 = 9 / 8 bit，依此类推

2.6 UNI/O 11xx（单线，11AA / 11LC 系列）

UNI/O 是 Microchip 的单线半双工接口，只需 1 个 MCU 引脚（SCIO），非常适合引脚极端紧张的场合（TWS 耳机、一次性医疗耗材、传感器探头、线缆 e-Marker）。

2.7 并行 EEPROM（28C64 / 28C256）

并行 EEPROM 已属维护性/替代性方案，主要用于老设备改板、需要 SRAM 级并行读速度的场合。典型：28C64 = 8 K × 8 bit（28 脚），28C256 = 32 K × 8 bit（28 脚）。

关键时序与软件数据保护（SDP）

/* 28C256 字节写：软件数据保护（Software Data Protection）三步解锁序列 */
write_byte(0x5555, 0xAA);      /* ① 0xAA → 地址 0x5555 */
write_byte(0x2AAA, 0x55);      /* ② 0x55 → 地址 0x2AAA */
write_byte(0x5555, 0xA0);      /* ③ 0xA0 → 地址 0x5555（解锁）*/
write_byte(addr,   data);      /* ④ 真正的写，之后进入 tWC ≈ 5 ~ 10 ms */

/* 判忙方式二选一： */
/*   Data# Polling：读回数据的 I/O7 为"写入值的反码"，直到写完成才变回正确值 */
/*   Toggle Bit   ：连续读两次，I/O6 持续翻转表示仍在写，稳定表示完成        */

2.8 I²C 时序参数汇总

3 · 电源设计

3.1 宽压供电与去耦

EEPROM 的平均功耗极低，但写操作期间内部电荷泵会产生持续数毫秒的电流脉冲，电源设计的核心是保证这段时间内 VCC 不跌落。

3.2 写操作期间的电压跌落

写周期期间 EEPROM 内部电荷泵工作，电流从待机的 µA 级跳到 1 ~ 3 mA 并持续 整个 tWR（典型 5 ms，最坏 10 ms）。如果电源路径阻抗过大，VCC 会在器件引脚处跌落。

/* 写期间电压跌落估算 */
ΔV_drop = I_write × R_source
   I_write  = 3 mA（5 V 时典型，取 datasheet max）
   R_source = 电源路径等效阻抗（LDO 输出阻抗 + PCB 走线 + 磁珠 + 滤波电阻 + 接插件）

   例：R_source = 10 Ω（含磁珠 6 Ω + 走线 2 Ω + LDO 输出阻抗 2 Ω）
   ΔV_drop = 3 mA × 10 Ω = 30 mV          → 可接受

   例：串了 100 Ω 电阻做 RC 滤波
   ΔV_drop = 3 mA × 100 Ω = 300 mV        → 3.3 V 系统跌到 3.0 V，接近 1.7 V 型
                                            号的余量下限，对 2.5 V 型号已越界

/* 断电瞬间需要的储能电容：C = I × t / ΔV */
   I = 3 mA（写电流）+ MCU 及其它负载电流
   t = 要求的保持时间（≥ tWR_max = 10 ms，建议留 2 倍余量 = 20 ms）
   ΔV = 允许的电压跌落（VCC_nominal − VCC_min）

   例：3.3 V 系统，VCC_min = 1.8 V，I_total = 10 mA（EEPROM 3 mA + MCU 7 mA）
       ΔV = 1.5 V，t = 20 ms
       C = 10 mA × 20 ms / 1.5 V = 133 µF   → 选 220 µF（考虑容差与老化）

   例：只保 EEPROM（MCU 已复位停止工作），I = 3 mA，t = 10 ms，ΔV = 1.5 V
       C = 3 mA × 10 ms / 1.5 V = 20 µF     → 选 47 µF

3.3 欠压保护与 VCC 监控

3.4 上电复位与 I²C 总线挂死恢复

上电时序

总线挂死（SDA 被永久拉低）与 9 时钟恢复法

典型成因：主机在 EEPROM 正在输出低电平（ACK 或数据 0）时被复位，EEPROM 还在等待剩余的 SCL 脉冲，于是把 SDA 一直拉低，主机再也发不出 START。这是 I²C 系统最常见的"死机"现象。

/* 9 个时钟脉冲恢复法（I²C 规范推荐） */
void i2c_bus_recovery(void)
{
    /* 1) 把 SCL 配成 GPIO 推挽输出，SDA 配成输入（带上拉） */
    gpio_set_mode(SCL_PIN, OUTPUT_PP);
    gpio_set_mode(SDA_PIN, INPUT_PULLUP);

    /* 2) 发送 9 个时钟脉冲（或更多，最多 16 个），周期 ≥ 10 µs */
    for (int i = 0; i < 9; i++) {
        gpio_write(SCL_PIN, 0);  delay_us(5);
        gpio_write(SCL_PIN, 1);  delay_us(5);
        if (gpio_read(SDA_PIN) == 1) break;      /* SDA 已释放可提前退出 */
    }

    /* 3) 在 SCL 为高时制造一个 STOP：SDA 由低变高 */
    gpio_set_mode(SDA_PIN, OUTPUT_OD);
    gpio_write(SDA_PIN, 0);  delay_us(5);        /* SDA = 0，SCL = 1 */
    gpio_write(SDA_PIN, 1);  delay_us(5);        /* SDA 上升 → STOP 条件 */

    /* 4) 引脚交还给 I²C 外设，重新初始化 */
    i2c_peripheral_init();
}

/* 硬件兜底：EEPROM VCC 由 MOSFET 控制，软件恢复失败时断电 100 ms 再上电 */

3.5 低功耗与电池备份

4 · 典型应用电路

4.1 I²C 单器件 / 多器件典型电路

逐网络说明（图 4-1）

4.2 SPI EEPROM 单器件电路

逐网络说明（图 4-2）

4.3 多器件共总线

4.4 电平转换

当 EEPROM 与 MCU 的 IO 电源域不同（典型：MCU 1.8 V，EEPROM 3.3 V；或 EEPROM 由常电 3.3 V 供电而 MCU IO 域会在低功耗时断电），必须做电平转换。I²C 是双向开漏总线，不能用普通的单向电平转换芯片或分压电阻。

4.5 热插拔与背板应用（EDID / SPD / 摄像头 OTP）