EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）是一种非易失性存储器，支持电擦除和重写，广泛应用于参数存储、配置保存等场景。以下从物理结构、读写机制、接口实现等角度深入解析其原理。

一、EEPROM的物理结构与存储单元

1. 核心存储单元：浮栅晶体管

• 结构：
  EEPROM的每个存储单元由一个浮栅晶体管组成，其结构与普通MOSFET类似，但多了一个浮栅（Floating Gate）层。

• 浮栅：被绝缘层（如氧化硅）完全包裹，电荷可长期存储。

• 控制栅：通过外部电压控制浮栅的电荷注入或移除。

• 工作原理：

• 写入（编程）：通过隧道效应（Fowler-Nordheim tunneling）将电子注入浮栅，使晶体管阈值电压升高（逻辑“0”）。

• 擦除：反向施加电压，将浮栅中的电子移出，使阈值电压降低（逻辑“1”）。

• 读取：通过检测晶体管的导通状态（电流大小）判断存储值。

2. 存储阵列与寻址

• 存储阵列：
  EEPROM由大量浮栅晶体管组成矩阵，通过行（字线）和列（位线）寻址。

• 地址解码：
  外部地址信号通过解码器转换为具体的行/列选择信号，定位到目标存储单元。

二、EEPROM的写入机制

1. 写入过程

• 步骤：

• 写入“0”：在控制栅施加高电压（如12V~20V），通过隧道效应将电子注入浮栅。

• 写入“1”：通常需先擦除（移除浮栅电子），再保持默认状态（逻辑“1”）。

1. 行/列寻址：定位目标存储单元。

2. 施加高压：

3. 验证写入：读取目标单元，确认写入是否成功。

• 关键特性：

• 单字节写入：每次操作仅修改一个字节，需5ms左右（受限于隧道效应速度）。

• 页写入：部分EEPROM支持页写入模式，可在单次写入周期内修改多个字节（如8字节或16字节），但总时间仍为5ms左右（效率显著提升）。

2. 写入限制

• 写入周期寿命：
  浮栅晶体管的氧化层在反复擦写后会逐渐退化，典型寿命为10万次~100万次写入。

• 写入保护：
  EEPROM通常提供硬件写保护引脚（WP），拉高时可禁止写入操作，防止误修改。

三、EEPROM的读取机制

1. 读取过程

• 步骤：

• 在控制栅施加较低电压（如1V~3V），检测晶体管是否导通。

• 导通电流大：逻辑“0”（浮栅有电子，阈值电压高）。

• 导通电流小：逻辑“1”（浮栅无电子，阈值电压低）。

1. 行/列寻址：定位目标存储单元。

2. 施加读取电压：

3. 输出数据：将检测结果转换为数字信号（0或1）。

• 关键特性：

• 读取速度快：通常为μs级（远快于写入）。

• 无磨损：读取操作不会改变浮栅电荷状态，无寿命限制。

2. 读取干扰与防护

• 读取干扰：
  长时间读取可能导致浮栅电荷微小变化（极少数情况下）。

• 防护措施：

• 限制单字节读取频率（如每秒不超过10万次）。

• 使用硬件或软件滤波算法。

四、EEPROM的接口实现

EEPROM通过I²C、SPI或并行接口与单片机通信，以下以I²C和SPI为例说明读写流程。

1. I²C接口EEPROM（如AT24C系列）

• 写入流程：

1. 发送起始条件：单片机拉低SDA，同时SCL保持高电平。

2. 发送设备地址：7位地址 + 写标志位（0）。

3. 发送字地址：指定目标存储单元的地址（如0x0000）。

4. 发送数据：逐字节写入数据（单字节或页写入）。

5. 停止条件：单片机释放SDA，结束通信。

• 读取流程：

1. 写入目标地址：先发送起始条件 + 设备地址（写） + 字地址。

2. 重新发起起始条件：发送起始条件 + 设备地址（读）。

3. 读取数据：单片机从EEPROM读取数据（可发送NACK终止读取）。

2. SPI接口EEPROM（如25LC系列）

• 写入流程：

1. 拉低片选（CS）：选中目标EEPROM。

2. 发送写指令：如0x02（页写入指令）。

3. 发送字地址：指定目标存储单元的地址。

4. 发送数据：逐字节写入数据（单字节或页写入）。

5. 拉高片选（CS）：结束通信。

• 读取流程：

1. 拉低片选（CS）：选中目标EEPROM。

2. 发送读指令：如0x03（读取指令）。

3. 发送字地址：指定目标存储单元的地址。

4. 读取数据：单片机从EEPROM读取数据。

5. 拉高片选（CS）：结束通信。

五、EEPROM与Flash的对比

六、EEPROM的关键应用场景

1. 配置参数存储：

• 如设备工作模式、阈值设置等，需在掉电后保持。

2. 校准值保存：

• 如传感器零点偏移、增益系数等，需定期更新。

3. 日志记录：

• 如故障代码、运行时间等，需频繁写入但数据量小。

七、总结与核心结论

1. 物理基础：

• EEPROM通过浮栅晶体管存储电荷，利用隧道效应实现电擦除和重写。

2. 读写机制：

• 写入慢（5ms/字节），读取快（μs级），支持单字节或页写入。

3. 接口实现：

• I²C/SPI接口通过指令序列完成读写，需注意时序和协议细节。

4. 应用选择：

• 适合小容量、频繁更新的场景，大容量存储建议使用Flash或FRAM。

通过理解EEPROM的物理结构和读写机制，可更高效地设计硬件电路和软件逻辑，避免常见问题（如写入超时、地址越界等）。