一、简介

    EEPROM 是一种不用拔掉芯片，直接通过电就能擦掉旧数据并写入新数据，而且断电后数据不会丢失的小容量存储器，常用于存设备设置、参数等少量需要反复修改的信息。

二、发展历史

• 早期可编程存储器的铺垫（1950-1970 年代）

    PROM（可编程只读存储器）：1956 年左右出现，用户可一次性编程，但无法擦除修改，应用受限。
    EPROM（可擦除可编程只读存储器）：1971 年由英特尔工程师 Dov Frohman 发明，通过紫外线照射芯片上的石英窗口擦除数据，需取出芯片操作，使用不便。

• EEPROM 的诞生与商业化（1970-1980 年代）

    1978 年，贝尔实验室的 Frank Wanlass 和同事首次提出电可擦除的概念，解决了 EPROM 需物理擦除的痛点。
    1980 年代，EEPROM 技术逐步成熟，英特尔、美光等公司推出商业化产品，初期容量仅几 Kb，主要用于工业控制和嵌入式系统。

• 技术迭代与应用扩展（1990 年代至今）

    随着半导体工艺进步，EEPROM 容量提升至 Mb 级，擦写速度和耐久性优化（如写入次数从 10 万次提升至 100 万次以上）。
    目前，EEPROM 广泛应用于物联网传感器、汽车电子、消费电子等领域，成为小容量非易失性存储的核心器件之一。

三、工作原理

3.1 工作原理：浮栅晶体管与电场擦写机制

    EEPROM 的核心基于浮栅晶体管（Floating Gate Transistor） 结构，工作原理如下：
1、物理结构与存储单元
    浮栅结构：每个存储单元由一个晶体管组成，其栅极被二氧化硅绝缘层包裹，形成 “浮栅”，可存储电荷。
    电荷存储：当浮栅中存有电荷时，晶体管阈值电压升高，表征为 “0”；无电荷时为 “1”。
2、编程（写入）过程
    通过在控制栅极施加高压（如 12V），使电子通过氧化层注入浮栅，改变阈值电压，完成数据写入。
3、擦除过程
    与 EPROM 不同，EEPROM 擦除无需紫外线，而是通过施加反向电场，使浮栅电荷泄放，实现电擦除。
    字节级擦除：可单独擦除某个字节，无需擦除整块数据，灵活性高。
4、读取过程
    施加正常工作电压（如 3.3V），通过检测晶体管导通状态读取数据，与 RAM 读取类似，但速度较慢。

注：由于12V电压较高，因此在写入一定次数后，会导致隧道氧化层的绝缘效果变差，产生电荷泄露，所以EEPROM存在擦写次数的寿命限制。

3.2 使用特点：小容量、高灵活、低功耗的非易失性存储

    以下是 EEPROM 与常见存储芯片（NOR Flash、NAND Flash、ROM、PROM、EPROM、SRAM、DRAM ）的区别：

特性	EEPROM	NOR Flash	NAND Flash	ROM	PROM	EPROM	SRAM	DRAM
基本类型	电可擦除可编程只读存储器	闪存（非易失性）	闪存（非易失性）	只读存储器（非易失性）	可编程只读存储器（非易失性）	可擦除可编程只读存储器（非易失性）	静态随机存取存储器（易失性）	动态随机存取存储器（易失性）
擦写方式	电擦除，字节级 操作，可单独擦写一个字节	电擦除，需按 块（Block）	擦除（通常 64 - 128KB 等），但可按字节 / 字编程	电擦除，按 块（Block）	擦除（几百 KB 等 ），按 页（Page，4KB - 16KB 等）	读写	生产时工厂烧录，不可擦写（传统 ROM ）	专用编程器写入，仅 1 次，写入后不可改
读写速度	读写慢（毫秒级，写入、擦除更明显 ）	读取快（支持芯片内执行 XIP ，CPU 可直接读指令 ），写入慢	连续读写快，随机访问慢（需缓存辅助 ）	读取速度相对较快（因内容固定 ）	写入慢（仅 1 次写入机会 ），读取速度一般	写入慢（需专用编程器、加电压 ），读取速度一般	读写	极快（纳秒级 ）
存储容量	小（几 KB 到几 MB ）	较小（几 MB 到几百 MB ）	大（GB 到 TB 级 ）	一般根据需求定制，早期容量小	容量较小，按需定制	容量一般不大（如 27C020 为 2M Bits 等 ）	小（用于高速缓存，几 KB 到几 MB 级 ）	大（用于主存，GB 级常见 ）
数据保持性	断电后数据 长期保存	断电后数据 长期保存	断电后数据 长期保存	断电后数据 长期保存	断电后数据 长期保存	断电后数据 长期保存	断电后数据 丢失	断电后数据 丢失（需定时刷新维持 ）
典型应用	存储少量、需频繁更新的数据，如设备配置参数、校准数据、蓝牙配对信息等	存储程序代码（如 BIOS、Bootloader ）、嵌入式系统固件，需快速随机读取且代码直接执行场景	大容量数据存储（如 SSD、U 盘、SD 卡、手机存储 ），流式数据（视频、图片等 ）读写	早期电脑 BIOS（传统 ROM ）、大批量生产的固定数据存储（如某些设备出厂参数 ）	少量需求场景、ROM 量产前验证（如早期定制化小批量数据存储 ）	早期可更新程序的存储（因擦写麻烦，逐渐被替代 ）	电脑 CPU 高速缓存、嵌入式系统高速数据缓存	电脑、服务器等主存储器，手机、平板等设备内存
擦写寿命	高（擦写次数约 10 万 - 100 万次 ）	中（擦写次数约 1 万 - 10 万次 ）	因类型而异（SLC > MLC > TLC > QLC ，约 1 千 - 10 万次等 ）	无（不可擦写 ）	无（仅 1 次写入 ）	擦写次数有限（紫外线擦除有寿命，反复擦写会影响 ）	理论上无限（只要不掉电，实际有磨损但极长 ）	理论上无限（需刷新，实际有硬件寿命 ）
成本	高（工艺复杂，容量小 ）	较高（相比 NAND ，容量小、成本高 ）	低（高密度、大容量，规模量产优势 ）	低（大批量生产时成本低 ）	高（相对 ROM ，且写入慢 ）	较高（需额外擦除设备、操作复杂 ）	高（制造工艺复杂，容量小 ）	低（大容量下成本优势，主流主存选择 ）
接口 / 协议	常支持 I2C、SPI 等串行协议	常支持 SPI、并行等协议	常支持 NAND 专用接口、SPI 等，配合控制器（如 SSD 主控 ）	无特定接口（地址、数据总线直接访问 ，传统架构 ）	专用编程器接口	专用编程器接口 + 紫外线擦除条件	地址、数据总线直接访问（与 CPU 等高速交互 ）	地址、数据总线直接访问（需内存控制器管理刷新 ）

四、芯片介绍

    常用的EEPROM芯片是SOP8的封装，以ATMEL的EEPROM芯片为例，如上图所示，其中A0、A1、A2三个引脚决定芯片的地址，VCC和GND是一组电源，WP是写保护引脚，SCL是时钟线，SDA是数据线。具体一些细节可以去看官方手册，这里不细讲，这里以24C02这个型号的资料为例，主要讲几个需要重点关注的点。

4.1 供电电压

    虽然规格书标称该芯片可以供2.7~5V，但实际供不同电压，参数是有不一样的变化的，像ATMEL的更多是电流上的差异，但有些芯片规格会标明，不同的供电电压，可通信的最大速率是不一样的，EEPROM写周期也是跟随供电电压的变化而变化的。正常来讲，供电电压越低，所用电流越小，支持的最大速率越慢，写周期越长。

4.2 通信速率与写周期时间

    因为大部分人使用EEPROM都是用的模拟IIC，而自己实现的模拟IIC很多时候都是用IO口翻转+死循环延时来实现，那么这种写法，其通信速率就由死循环延时的时间决定的。并且使用死循环作为延时，有个很大的缺陷，就是通用性很差，每切换一个单片机平台，都得重新测一下延时，如果你在一个低速的平台实现了一个400kHz的IIC通信，移植到高速平台后，可能会发现读写EEPROM变得不正常，需要重新测试调整延时时间才可以正常使用。

    而写周期则算是EEPROM芯片的一个特性，即当你使用IIC通信发送一帧写数据的指令，EEPROM接收到写指令之后，芯片内部开始对数据进行存储，存储的时间长度根据写入的数据不同而不同，所以规格书这里标的是一个最长的时间。在这个写周期内，EEPROM芯片是不响应IIC指令的，所以如果写入后未延时立即进行读取，则读取的数据不是正常想要的值；如果写入后未延时立即进行再次写入，则会出现未应答的情况。

4.3 时序

    需要关注这里面各个时间间隔，尤其是使用模拟IIC进行通信时，需要关注模拟的IO口翻转，时序是否满足规格书中的要求。

• 写入
  

    写入时序如上图9，首先发送起始位，然后发送设备地址（具体设备地址是多少下文有讲解），设备地址最后一位为0表示写入，等待EEPROM应答后，再发送需要写入的EEPROM内存起始地址，等待应答后，就开始发送数据，每个字节数据发送完成后，都需要等待应答。单个字节写入与多字节写入的方式是一样的，只是带的数据量不同而已，发送结束后，再发送一个停止信号作为一帧数据的结束。

    EEPROM是有页的概念的，正常页写的操作是，写入需要写的起始地址，然后发送数据，发送完一个字节数据后不要发停止信号，而是继续发送数据，直到一页结束。但如果到一页结束后还继续发送数据，则数据会循环覆盖至前面的地址，即上图所说的字节址会"roll over" 。如上面文档所示，1K/2K的，一页是8字节；4K/8K/16K的，一页是16字节。

• 读取

    读取时序如上图11，首先发送起始位，然后发送设备地址（具体设备地址是多少下文有讲解），设备地址最后一位为0表示写入，等待EEPROM应答后，再发送需要写入的EEPROM内存起始地址，等待应答后，重新发送起始信号，再发送设备地址，设备地址最后一位为1表示读取，等待EEPROM应答后，就可以正常读取数据。这里其实可以拆成两段来看，第一段就是写入需要操作的内存地址；第二段就是开始读取数据。所以图12表示的是，即使没有第一段写入内存地址，直接进行读操作也是可以的，只是读取的内存地址是从最后一次操作的地址开始。

4.4 设备地址

    如上图所示，跟EEPROM通信时，IIC的设备地址由这几部分组成，高4个位为固定的1010，然后再拼接A0~A2这三个位，这三个位的逻辑电平由芯片引脚物理接线方式决定的，最后一位决定是读还是写（1是读，0是写），如果需要逻辑电平1，则外部接Vcc，如果需要逻辑电平0，则外部接GND。比如现在芯片引脚A0接GND，A1和A2接Vcc，那么读该芯片的地址就是0xAD（0b 1010 1101），写地址就是0xAC（0b 1010 1100）。

    需要注意的是，这里规格书里提到了，当使用4k的EEPROM时，A0则不起作用；使用8k的EEPROM时，A0和A1都不起作用；使用16k的EEPROM时，则A0、A1、A2均不起作用。

4.5 写保护

    芯片的WP引脚为写保护引脚，接GND表示可正常读写，接Vcc时表示只能读，不可写，所以在硬件设计初期，最好是接到一个IO口上，并且需要上拉，防止误写入。

4.6 读写地址

    不同大小的EEPROM芯片读写地址的字节数也不一样，因为1个字节能表示的最大值为255，也就是最多可表示256个地址，所以对于2K（bit）以下的EEPROM芯片，只需要使用1个字节，就可以表示256个字节的所有内存地址。对于2K以上的EEPROM芯片，则需要使用2个字节来表示地址。

五、失效预防

    为什么会多这么一个章节？是因为这么多年来，被这么一个小小的存储芯片坑了无数遍。为了避免大家重复地掉坑，这里来个大合集，以下全是干货，注意收藏。

5.1 寿命

    第一个比较简单，但也算是很多新手的初见杀，就是对于一些没接触过存储芯片的，可能不清楚存储芯片普遍都存在一个标称的擦写寿命，毕竟消费类的产品，比如U盘、电脑硬盘，都很少有存储寿命用尽的，像操作系统还有读写均衡，即使写坏也是无感的。但像嵌入式，很多时候是直接操作这种存储芯片的，那存储芯片最大的一个特性寿命就成了我们必须关注的一个点。
    这里需要关注的事情有两个，一个是我们自己使用EEPROM，也就是存储自己的数据时，要注意写入的周期及频次，即使是同一个地址写入同一个数据，也会减少EEPROM的写入寿命，所以对于没有变化的数据，尽量不要去重复写入；对于变化的数据，比如温度、时间这种，则需要根据读写次数去反推，按一定的周期进行存储，或者触发式存储。比如100万次寿命，如果产品需要保证10年的使用年限，那么写入的间隔最短可以是10 * 365 * 24 * 60 / 1000000 = 5.256 min，也就是每间隔5min写入一次数据，大概10年后就会把一个寿命100万次擦写的EEPROM写坏。
    第二种则是非自己使用的情况，这里可能有人会问，一般除了嵌入式开发工程师，还有谁能直接去操作EEPROM？是没有人能直接操作，但要留意，我们做产品是给别人用的，那么肯定会有一些触发式存储的功能是留给客户用的，就比如开个接口，给客户存储他那边下发的温度；或给客户留个按键，按一次存储一次数据。下发温度这种，由上位机实现，人家可能就给你来个50ms发一次，而且因为温度这种东西，采集精度等因素导致它就有那么一点点波动，那到嵌入式这里，可能判断的是只要是变更就存储，那从原本预估的10年寿命，可能1周就给干没了。针对这种情况，一个是要做好说明，另外一个在前期需求收集时候，最好是跟客户对齐，不该存储的东西不要存储，或约定好存储周期。

• 失效模式

    对于不同芯片厂家，其擦写次数超过规格书寿命要求时的失效模式有所不同，具体失效模式可以咨询原厂技术支持，也可以通过实验写坏来测试。目前遇到的写坏后的失效模式有两种，同样重复给一个地址循环写入0x5A和0xA5，直到超过寿命限制的次数（这边测试写入800w次以上才写坏）。有一家损坏后，只是当前字节数据无法保存，不影响其他字节；而另外一家则是除了当前的字节数据无法保存外，相邻的两个字节也出现问题。而根据厂家的说法，芯片被写坏后，原本写入的数据将无法保持，跟当前芯片是否给电没有关系。因为从上面EEPROM的工作原理可以推导出，写坏是因为隧道氧化层被破坏，导致电荷泄漏无法保持，如果氧化层只是轻微损伤，则内部存储的电荷可以保持较长时间，所以短期可能看不出异常；如果氧化层损伤严重，几乎不支持电荷的存储，则在写入数据后立即回读，就能发现异常。
    另外，芯片厂家也提供了一个信息，因为EEPROM这种存储结构，其实只是让数据存储时间可以变得很长，但并不是永久存储，因为既然氧化层是支持电荷穿越的，那么正常不加电场的情况下，实际也是存在微小的电荷转移的，只是量很少，几乎不影响。所以厂家评判一个芯片是否满足要求，看的是其漏电等级是否在要求范围内。

    对于写坏后的现象，厂家也不敢打包票就一定是什么样子的，所以对于EEPROM的擦写寿命，一定是要做严格控制的。

5.2 页写

    就如上文所说，EEPROM是有页的概念的，虽然读数据的时候可以一帧把一整片存储的数据读出，但写入的时候，一帧最多只能写一页的数据，当写入的数据达到页末的时候，如果需要跨页写入，需要重新发一帧指令写入。那么问题来了，如果我就非要一帧写完，会发生什么事呢？就比如像24C128是64字节一页的，现在从0地址开始，一帧写入66个字节。此时IIC可以正常通信不会有任何异常显示，但当一帧65字节的数据写入后，前面64字节是正常写入的，但从第65个字节开始会将0地址的数据覆盖掉，第66字节的数据会将1地址的数据覆盖掉，以此类推循环覆盖。也就是写得再多的数据，也只会在这一页里循环覆盖，最终存储的数据，只有在这一帧发送完成后，在延时的时间内，EEPROM芯片自身对最终的数据进行存储。
    那这里又引出另外一个问题，如果我用的一个16k的EEPROM，但写入的地址是17k，会发生什么事？答案是跟上面的现象类似，会循环从0地址开始算，即17k实际写入的是1k那个位置的地址。其实从地址二进制数上就可以看出来，当一个16k的EEPROM，其可读写的地址最大是0b 0011 1111 1111 1111，其有效地址位就是低14位，当数据再往上加1，比如0b 0100 0000 0000 0000，可以看到其低14位数据为0，即0地址。所以当使用EEPROM时，如果遇到有开头几个数据莫名地被修改时，请检查一下是否空间用超了。最好是在写入数据时，对写入的地址进行检查，用超时报错或反馈异常。

5.3 时序

    如果使用单片机自带的硬件IIC，那可能不用太在意通信的时序，但如果是使用模拟IIC进行通信，那就得留意一下规格书里的几个时序时间是否满足了。

    通过IO口进行翻转，需要留意SCL翻转的频率是否超过规格书里标称的最大频率，如果是，则需要调低翻转速率（在翻转过程增加延时）。

    写入数据后，需要延时5ms，这段时间是用于给EEPROM实际将数据存储起来，如果写入后没延时就进行下一帧的读写操作，此时EEPROM不会作出应答。包括有些应用会拿EEPROM来做掉电前保存，那么掉电保持电量的时间需要把这个延时存储的时间考虑进来，否则在写入数据帧发送完成后，立即切断EEPROM电源，会导致数据实际未写入而丢失。延时的这个5ms因芯片厂家不同存在差异，像ATMEL是固定5ms，有些是根据供电电压不同，要求的延时时间也不同，目前最长有见到有10ms的，实际编写代码时需要翻阅对应厂家提供的规格书。

5.4 虚焊

    玩嵌入式的，永远避不开的一个话题就是硬件，而硬件，最让人想不到的一些异常就是制程工艺。如果引脚虚焊，那经常表现出来就是功能不良，像VCC、SCL、SDA、A0~A2任一引脚虚焊，要么接触上可以正常读写，要么没接触上无法读写。但有一个引脚比较特殊，曾经遇到过GND引脚焊接不良的，其失效模式是数据可以正常读取，写入数据时EEPROM也可以正常的应答，但是掉电后数据不保存，也就是写入的数据并没有实际存储到EEPROM芯片中。从理论分析可能是因为芯片未接地，所以当需要存储消耗较大电流时，电流无法形成回路，导致数据无法存储。

5.5 干扰

    这个可以说是嵌入式软件的一生之敌，电气干扰这东西，就是看不见、摸不着，时不时给你来一下，你还不一定能抓得到当时异常时出现的干扰。因为跟EEPROM通信的协议本身是不具备校验性的，不像Modbus协议有个CRC校验，所以当通信过程被干扰时，会出现很多你想象不到的异常。

    就以上面的IIC通信时序图为例，假如现在有一个字节长度的干扰，这个干扰可以落在上面SDA的任意一个地方，让原本的位产生翻转，那么就会有以下几种情况：
1、落到起始位：因为IIC的时序要求，是先拉低SDA，再拉低SCL作为起始信号，如果干扰出现在起始位，则是SDA线该拉低时无法拉低，这样就会导致起始信号不生效，起始位延后。如果后面的IIC通信均正常，此时对于EEPROM来讲会丢一帧的数据。因为标准IIC协议中，SDA线上的数据翻转只能在SCL线为低电平的时候进行，也就是SCL为高电平时，SDA翻转的只有起始位和停止位，所以一旦起始位被干扰丢失，EEPROM识别到下一次起始只能是下一个完整帧。
2、落到设备地址：设备地址作为跟EEPROM通信的唯一ID，由硬件接线固定下来后是不可变更的，如果此时因干扰导致IIC通信的设备ID发生变化，则会导致设备不会应答，因此会在发送完设备ID后终止通信。
3、落到设备地址读写位：原本该写入数据的变成读数据，而原本要读取数据的，变成写入数据。
4、落到内存地址：EEPROM的读写，都是根据当前写入的内存地址为起始进行偏移，如果写入内存地址时被干扰导致出错，会造成读出错误的数据，或者将数据写入错误的位置，覆盖掉其他地址的数据。
5、落到数据段：当前地址段被写入错误的值，或读取出来错误的值。读取错误的还好，起码EEPROM内部存储的数值还是正确的，再次正常读取即可，但如果写入值被干扰成错误值，则会导致数据永久地丢失。
6、落到应答位：如果是写入数据，会让主机误以为EEPROM芯片未正确接收数据，触发错误处理（如重试、终止通信等）；如果是读取数据，则会让EEPROM误以为主机未准备好接收数据，从而停止发送数据或进入错误状态。

• 预防措施

硬件：
1、写保护端口的使用，如果写保护端口由单片机控制，则可以控制在需要写入数据时，才拉低WP引脚进行数据写入，写完数据后拉高，这样可以防止上述提及的干扰出现在设备地址读写位，导致读数据变成写数据的情况。
2、单片机与EEPROM芯片应尽可能地靠近，即要让PCB上的SCL和SDA走线尽可能地短，且其围起来的面积尽可能地小。减少空间磁场的干扰。
3、可适当增加上拉电阻及滤波电容，增加抗干扰性。

软件：
1、每次写入数据时，回读进行数据确认，以保证写入的与读出的数据保持一致，从而有效地识别因干扰导致的数据写错。
2、当首次上电读取数据时，因为没有之前的数据作为参考，所以可以通过读取两次数据进行对比，来识别读取数据的正确性（因为干扰具有随机性，两次读取被干扰到同一个位置的数据，可能性极低）。如果是进行大批量的数据读取，为了节省空间，可在第一次读取数据后计算CRC，并暂存在RAM中，读取第二次数据后再计算一次CRC，跟首次的CRC值进行对比，如果一致，则说明读取的数据是可靠的。
3、当某种情况下，EEPROM芯片处于非空闲状态，而单片机处于空闲状态时，需要先将EEPROM芯片进行复位，再进行正常操作。

5.6 芯片损坏

    EEPROM本体出厂损坏的案例比较少，直至当前为止本人就发现过一例，每两页数据中就有一个字节的相邻两个位存在异常（例：第1页第7个字节，第3页第7个字节，第5页第7个字节……），并且该问题通过全片写0xFF和全片写0是无法识别出来的，需要写入0xAA（0b 1010 1010）或0x55（0b 0101 0101）才能识别。为了防止出现EEPROM原厂出货的芯片存在缺陷，最好是在生产时对芯片进行一次全片写入并读取检验，即全片写0xAA，读回判断，再全片写0x55，再读回判断，两次均正常，则可认为芯片正常。

六、相关链接

【知识分享】IIC协议详解
【工具使用】STM32CubeMX-硬件IIC配置-实现EEPROM读写功能