EEPROM

📌 EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемая программируемая постоянная память) — вид энергонезависимой памяти, позволяющей многократно записывать и стирать данные электрическими сигналами без необходимости физического извлечения микросхемы. EEPROM широко используется для хранения конфигурационных данных, калибровочных параметров, настроек и микропрограмм в различных электронных устройствах.

---

🧠 Как работает

Основные принципы

• Структура памяти: EEPROM состоит из множества ячеек, каждая из которых хранит бит данных. Ячейки организованы в страницы и блоки.
• Запись и стирание: данные записываются и стираются электрическими импульсами, обычно блоками или страницами, при этом можно обновлять отдельные байты или страницы.
• Сохранность данных: данные сохраняются без питания, часто гарантируется срок хранения десятки лет.
• Интерфейс доступа: чаще всего EEPROM интегрирована с микроконтроллерами через последовательные интерфейсы — I2C, SPI, но бывают и параллельные версии.
• Время доступа: запись и стирание медленнее, чем чтение, запись обычно занимает миллисекунды.
• Количество циклов перезаписи: ограничено (от десятков тысяч до миллионов), что требует бережного использования.

Аппаратное устройство ячейки

• EEPROM-ячейка построена на основе плавающего затвора (floating gate) транзистора, где электрический заряд хранит состояние.
• Электрическое стирание происходит за счёт туннелирования зарядов через изолятор.

Блок-схема

flowchart TB
    MCU["Microcontroller / CPU"]
    I2C_Bus["I2C Bus"]
    EEPROM["EEPROM Chip"]
    style EEPROM stroke:#fff,stroke-width:5px,font-weight:bold
    MemoryCells["Floating-Gate Memory Cells"]
    ControlLogic["Control Logic"]
    WriteCircuit["Write/Erase Circuit"]
    ReadCircuit["Read Circuit"]

    MCU --> I2C_Bus
    I2C_Bus --> EEPROM
    EEPROM --> ControlLogic
    ControlLogic --> MemoryCells
    ControlLogic --> WriteCircuit
    ControlLogic --> ReadCircuit
    WriteCircuit --> MemoryCells
    ReadCircuit --> MemoryCells

Интерфейс и управление

• Для обращения к EEPROM используют команды чтения, записи, стирания с указанием адреса.
• В микросхемах с интерфейсом I2C используется стандартный набор протоколов передачи.
• Контроллер EEPROM внутри микросхемы управляет процессом стирания/записи, обеспечивая надежность и защиту.

---

⚙️ Где применяется

• Хранение параметров конфигурации в MCU, SoC, бытовой и промышленной электронике.
• Микропрограммы, настройки, логи калибровки в датчиках и приборах.
• BIOS/UEFI микропрограммы на материнских платах (в меньшей степени, чаще используется Flash).
• Небольшие энергонезависимые базы данных в встраиваемых системах.
• Память для хранения критичных данных, требующих частого обновления.

---

✅ Преимущества

• Энергонезависимость: данные сохраняются без питания.
• Возможность многократной перезаписи: десятки тысяч циклов.
• Удобство использования: легко интегрируется с MCU через стандартные интерфейсы.
• Гибкость записи: можно изменять отдельные байты или страницы без стирания всего чипа.
• Высокая надежность: стабильность данных и высокая устойчивость к внешним воздействиям.

---

❌ Недостатки

• Ограниченное число циклов перезаписи: после исчерпания ресурса память может выйти из строя.
• Медленное время записи и стирания: в сравнении с RAM или Flash.
• Низкая плотность памяти: обычно объём меньше, чем у Flash и других энергонезависимых типов.
• Высокая стоимость за бит: по сравнению с Flash.
• Часто ограниченный объём: от нескольких килобайт до мегабайт, реже больше.

---

🔗 Связанные технологии

Flash, I2C, SPI, NVRAM, MCU, SoC, Non-volatile Memory, Memory Controller, ROM, NAND, NOR, Memory Map, Cell Structure

---

Резюме

EEPROM — энергонезависимая память с возможностью электрического стирания и записи, широко применяемая для хранения конфигурационных и калибровочных данных в микроконтроллерах и встраиваемых системах. Несмотря на ограниченное число циклов записи и невысокую плотность, она остаётся востребованной благодаря гибкости, надежности и удобству интеграции.

---

Примеры кода

C: чтение и запись EEPROM по I2C (микроконтроллер STM32)

#include "i2c.h"
 
#define EEPROM_ADDR 0xA0 // 7-bit адрес сдвинутый
 
void EEPROM_WriteByte(uint16_t mem_addr, uint8_t data) {
    uint8_t buf[3];
    buf[0] = (mem_addr >> 8) & 0xFF; // старший байт адреса
    buf[1] = mem_addr & 0xFF;        // младший байт адреса
    buf[2] = data;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, EEPROM_ADDR, buf, 3, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_Delay(5); // задержка записи EEPROM (~5 мс)
}
 
uint8_t EEPROM_ReadByte(uint16_t mem_addr) {
    uint8_t data;
    uint8_t addr[2];
    addr[0] = (mem_addr >> 8) & 0xFF;
    addr[1] = mem_addr & 0xFF;
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, EEPROM_ADDR, addr, 2, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, EEPROM_ADDR, &data, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return data;
}

Python с использованием smbus (Raspberry Pi)

import smbus
import time
 
bus = smbus.SMBus(1)
EEPROM_ADDR = 0x50
 
def eeprom_write_byte(addr, data):
    high = (addr >> 8) & 0xFF
    low = addr & 0xFF
    bus.write_i2c_block_data(EEPROM_ADDR, high, [low, data])
    time.sleep(0.01)  # задержка записи
 
def eeprom_read_byte(addr):
    high = (addr >> 8) & 0xFF
    low = addr & 0xFF
    bus.write_i2c_block_data(EEPROM_ADDR, high, [low])
    data = bus.read_byte(EEPROM_ADDR)
    return data

---

Источники:
Microchip 24LCxx Datasheet, STMicroelectronics Application Notes, Wikipedia, osdev.org, habr.com, I2C and SPI protocol specs, Embedded Systems textbooks.