EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是一種非易失性存儲器，支持電擦除和重寫，廣泛應用于參數存儲、配置保存等場景。以下從物理結構、讀寫機制、接口實現等角度深入解析其原理。

一、EEPROM的物理結構與存儲單元

1. 核心存儲單元：浮柵晶體管

• 結構：
  EEPROM的每個存儲單元由一個浮柵晶體管組成，其結構與普通MOSFET類似，但多了一個浮柵（Floating Gate）層。

• 浮柵：被絕緣層（如氧化硅）完全包裹，電荷可長期存儲。

• 控制柵：通過外部電壓控制浮柵的電荷注入或移除。

• 工作原理：

• 寫入（編程）：通過隧道效應（Fowler-Nordheim tunneling）將電子注入浮柵，使晶體管閾值電壓升高（邏輯“0”）。

• 擦除：反向施加電壓，將浮柵中的電子移出，使閾值電壓降低（邏輯“1”）。

• 讀取：通過檢測晶體管的導通狀態（電流大小）判斷存儲值。

2. 存儲陣列與尋址

• 存儲陣列：
  EEPROM由大量浮柵晶體管組成矩陣，通過行（字線）和列（位線）尋址。

• 地址解碼：
  外部地址信號通過解碼器轉換為具體的行/列選擇信號，定位到目標存儲單元。

二、EEPROM的寫入機制

1. 寫入過程

• 步驟：

• 寫入“0”：在控制柵施加高電壓（如12V~20V），通過隧道效應將電子注入浮柵。

• 寫入“1”：通常需先擦除（移除浮柵電子），再保持默認狀態（邏輯“1”）。

1. 行/列尋址：定位目標存儲單元。

2. 施加高壓：

3. 驗證寫入：讀取目標單元，確認寫入是否成功。

• 關鍵特性：

• 單字節寫入：每次操作僅修改一個字節，需5ms左右（受限于隧道效應速度）。

• 頁寫入：部分EEPROM支持頁寫入模式，可在單次寫入周期內修改多個字節（如8字節或16字節），但總時間仍為5ms左右（效率顯著提升）。

2. 寫入限制

• 寫入周期壽命：
  浮柵晶體管的氧化層在反復擦寫后會逐漸退化，典型壽命為10萬次~100萬次寫入。

• 寫入保護：
  EEPROM通常提供硬件寫保護引腳（WP），拉高時可禁止寫入操作，防止誤修改。

三、EEPROM的讀取機制

1. 讀取過程

• 步驟：

• 在控制柵施加較低電壓（如1V~3V），檢測晶體管是否導通。

• 導通電流大：邏輯“0”（浮柵有電子，閾值電壓高）。

• 導通電流?。哼壿嫛?”（浮柵無電子，閾值電壓低）。

1. 行/列尋址：定位目標存儲單元。

2. 施加讀取電壓：

3. 輸出數據：將檢測結果轉換為數字信號（0或1）。

• 關鍵特性：

• 讀取速度快：通常為μs級（遠快于寫入）。

• 無磨損：讀取操作不會改變浮柵電荷狀態，無壽命限制。

2. 讀取干擾與防護

• 讀取干擾：
  長時間讀取可能導致浮柵電荷微小變化（極少數情況下）。

• 防護措施：

• 限制單字節讀取頻率（如每秒不超過10萬次）。

• 使用硬件或軟件濾波算法。

四、EEPROM的接口實現

EEPROM通過I2C、SPI或并行接口與單片機通信，以下以I2C和SPI為例說明讀寫流程。

1. I2C接口EEPROM（如AT24C系列）

• 寫入流程：

1. 發送起始條件：單片機拉低SDA，同時SCL保持高電平。

2. 發送設備地址：7位地址 + 寫標志位（0）。

3. 發送字地址：指定目標存儲單元的地址（如0x0000）。

4. 發送數據：逐字節寫入數據（單字節或頁寫入）。

5. 停止條件：單片機釋放SDA，結束通信。

• 讀取流程：

1. 寫入目標地址：先發送起始條件 + 設備地址（寫） + 字地址。

2. 重新發起起始條件：發送起始條件 + 設備地址（讀）。

3. 讀取數據：單片機從EEPROM讀取數據（可發送NACK終止讀?。?/span>

2. SPI接口EEPROM（如25LC系列）

• 寫入流程：

1. 拉低片選（CS）：選中目標EEPROM。

2. 發送寫指令：如0x02（頁寫入指令）。

3. 發送字地址：指定目標存儲單元的地址。

4. 發送數據：逐字節寫入數據（單字節或頁寫入）。

5. 拉高片選（CS）：結束通信。

• 讀取流程：

1. 拉低片選（CS）：選中目標EEPROM。

2. 發送讀指令：如0x03（讀取指令）。

3. 發送字地址：指定目標存儲單元的地址。

4. 讀取數據：單片機從EEPROM讀取數據。

5. 拉高片選（CS）：結束通信。

五、EEPROM與Flash的對比

六、EEPROM的關鍵應用場景

1. 配置參數存儲：

• 如設備工作模式、閾值設置等，需在掉電后保持。

2. 校準值保存：

• 如傳感器零點偏移、增益系數等，需定期更新。

3. 日志記錄：

• 如故障代碼、運行時間等，需頻繁寫入但數據量小。

七、總結與核心結論

1. 物理基礎：

• EEPROM通過浮柵晶體管存儲電荷，利用隧道效應實現電擦除和重寫。

2. 讀寫機制：

• 寫入慢（5ms/字節），讀取快（μs級），支持單字節或頁寫入。

3. 接口實現：

• I2C/SPI接口通過指令序列完成讀寫，需注意時序和協議細節。

4. 應用選擇：

• 適合小容量、頻繁更新的場景，大容量存儲建議使用Flash或FRAM。

通過理解EEPROM的物理結構和讀寫機制，可更高效地設計硬件電路和軟件邏輯，避免常見問題（如寫入超時、地址越界等）。