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I2C EEPROM 读写时序：设备地址、字地址、页写与写周期轮询 ​

更新时间：2026-09-19。前置：I2C 主机开漏/ACK/时钟拉伸。EEPROM 是 I2C 上最经典的从设备，理解它就掌握了「带内部地址指针的存储型从机」模型。

本文要回答的问题 ​

  • 一次 I2C EEPROM 读，为什么设备地址后面还要发「字地址」？
  • 随机读/当前地址读/顺序读在时序上差在哪？
  • 什么是页写回卷（page write rollover），为什么一次写有长度上限？
  • 写一个字节为什么要等 5ms，怎么用 ACK 轮询替代 sleep？

一、器件模型与地址 ​

EEPROM（如 24LC256 = 32KB）内部是一个「带地址指针的存储阵列」。一次访问分两层地址：

  1. 设备地址（总线寻址）：1010 + A2A1A0 + R/W#。固定高 4 位 1010，低 3 位由引脚 A2/A1/A0 决定，故同一条总线最多挂 8 个同类器件。
  2. 字地址（片内偏移）：小容量 8 位（≤2Kbit），大容量 16 位（24LC256 等）；部分型号设备地址低几位也参与扩展寻址。
bash
设备地址字节:  1 0 1 0  A2 A1 A0  R/W#
                 固定     引脚选择    1=读 0=写

二、写时序 ​

字节写：

bash
S | 1010xxx0 A | WADDR_H A | WADDR_L A | DATA A | P
                                              └ 拉高 STOP 后，内部烧写开始(tWR≈5ms)

页写（page write）：发完字地址后可连续送最多一页（8/16/32/64 字节，视型号），每字节 ACK，最后一个 STOP 才启动一次内部烧写——整页只付一次 5ms，这是页写的价值。

页写只在「当前页内」递增地址，低几位页内偏移自增、高位不变，超过页长会回卷覆盖本页开头，不会跨页。

三、读时序（三种） ​

类型序列用途
当前地址读S | 设备地址+R | A | 读数据 | NACK | P读「内部指针当前位置」
随机读先发写：S|dev+W|字地址|（不发 STOP，用 repeated START）|dev+R|数据|NACK|P读任意地址，最常用
顺序读随机读后每字节回 ACK，地址自增连续读批量读，跨页不回卷

关键：随机读必须用 repeated START（Sr） 在写地址后切换方向，不能用 STOP（STOP 会终止传输、丢失内部寻址上下文）。

bash
S dev+W A addrH A addrL A | Sr dev+R A data NACK P
        └── dummy write 设置指针 ──┘ └ 真正读 ┘

四、写周期与 ACK 轮询 ​

STOP 后 EEPROM 进入内部烧写（tWR 典型 5ms，最大 10ms），期间不响应设备地址（NACK）。两种等待法：

  • 固定 sleep 5~10ms：简单但慢。
  • ACK 轮询（acknowledge polling）：周期性发 START + 设备地址，NACK 表示仍在写，一旦回 ACK 立即继续，平均更快。
verilog
// 伪代码：等到 EEPROM 恢复响应
task eeprom_wait_busy;
  forever begin
    send_start;
    send_byte(7'b1010_000 << 1);     // 写设备地址
    if (get_ack == 0) disable;       // 收到 ACK → 写完
    send_stop;                       // NACK → 继续轮询
  end
endtask

五、可综合 RTL 要点 ​

主机 FSM 与通用 I2C 主机一致，差别只在序列编排（两层地址、Sr、页计数、写后轮询）。核心位级引擎见 I2C 主机；这里给出页写回卷保护：

verilog
// 页大小 PAGE = 16 字节时，页内偏移 = addr[3:0]
wire [3:0] page_offset = cur_addr[3:0];
wire page_end = (page_offset == 4'hF);
always @(posedge clk) if (wr_state == DATA) begin
  if (byte_cnt == len-1 || page_end) send_stop;  // 到长度或页边界必须收尾
  else cur_addr <= cur_addr + 1'b1;
end
// 驱动层应按页把一次大写拆成多次，避免回卷覆盖

六、常见的坑 ​

  1. 忘记字地址：把 EEPROM 当普通从机，直接读会读到内部旧指针位置。
  2. 随机读用了 STOP 代替 Sr：指针上下文丢失，读错地址。
  3. 页写超长回卷：一次发超一页，数据从头覆盖；驱动必须按页拆分。
  4. 不等 tWR 就下一条：写未完成时发命令被 NACK，读回旧值。
  5. 设备地址/字地址位宽错：24LC256 是 16 位字地址，只发一字节会把数据当高地址。
  6. A2/A1/A0 地址冲突：两片相同引脚配置并挂，总线仲裁异常；大容M器件部分地址位是「块选择」而非引脚。
  7. WP 脚悬空/拉高：写保护使能时写入静默失败。
  8. 上拉太弱或总线电容大：开漏上升沿变缓导致 ACK 采样出错，见 开漏与上拉。
  9. 顺序读不回 ACK 提前停：主机读最后字节必须 NACK+STOP，否则从机继续驱动 SDA。
  10. 跨型号假设页大小：8/16/32/64 字节页因型号而异，移植必须查手册。

相关与延伸 ​

位级时序、时钟拉伸与总线挂死恢复见 I2C 主机；高速非易失对照 SPI NOR Flash/XIP；低速外设挂载见 APB 时序。

总结 ​

I2C EEPROM 是「设备地址选片 + 字地址选偏移」的存储型从机：随机读要先做一次 dummy 写设指针并用 repeated START 切到读，页写可在一页内连续发但超页会回卷覆盖，且只有最后一个 STOP 才启动一次约 5ms 的内部烧写；烧写期间器件不回 ACK，用 ACK 轮询比固定 sleep 高效——字地址位宽、Sr、页边界和 tWR 是四大必查点。