DS4520：9位I2C非易失性I/O擴展器+內(nèi)存的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于I/O擴展和內(nèi)存存儲功能的需求日益增長。DS4520作為一款9位非易失性（NV）I/O擴展器，同時具備64字節(jié)的NV用戶內(nèi)存，通過I2C兼容串行接口進行控制，為工程師們提供了強大而靈活的解決方案。本文將對DS4520進行詳細的技術(shù)剖析，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

1. 基本功能

DS4520是一款9位非易失性I/O擴展器，擁有64字節(jié)的NV用戶內(nèi)存。它為用戶提供了一種數(shù)字可編程的替代方案，可取代用于控制數(shù)字邏輯節(jié)點的硬件跳線和機械開關(guān)。每個I/O引腳都能獨立配置，輸出為開漏形式，并帶有可選上拉電阻，每個輸出可吸收高達12mA的電流。由于該設(shè)備具有非易失性，上電后能立即以期望狀態(tài)工作，無需等待主機CPU啟動控制就能直接控制數(shù)字邏輯輸入。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

DS4520的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了多個領(lǐng)域：

• RAM-Based FPGA Bank Switching for Multiple Profiles：用于基于RAM的FPGA多配置文件的銀行切換。
• Selecting Between Boot Flash：在啟動閃存之間進行選擇。
• Setting ASIC Configurations/Profiles Servers：設(shè)置ASIC配置/配置文件服務(wù)器。
• Network Storage Routers：網(wǎng)絡(luò)存儲路由器。
• Telecom Equipment：電信設(shè)備。
• PC Peripherals：PC外設(shè)。

二、產(chǎn)品特性

1. 功能特性

• 可編程替代機械跳線和開關(guān)：能夠以數(shù)字編程的方式替代傳統(tǒng)的機械跳線和開關(guān)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可配置性。
• 九個NV輸入/輸出引腳：提供了九個非易失性的輸入/輸出引腳，可獨立配置，滿足不同的應(yīng)用需求。
• 64字節(jié)NV用戶內(nèi)存（EEPROM）：可用于存儲用戶數(shù)據(jù)，方便系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理。
• I2C兼容串行接口：支持I2C通信協(xié)議，便于與其他設(shè)備進行通信。
• 最多8個設(shè)備可在同一I2C總線上多節(jié)點連接：允許在同一I2C總線上連接多個DS4520設(shè)備，擴展系統(tǒng)的功能。
• 帶可配置上拉電阻的開漏輸出：輸出為開漏形式，并且上拉電阻可配置，增加了輸出的靈活性。
• 輸出能夠吸收12mA電流：具有較強的驅(qū)動能力。
• 低功耗：降低了系統(tǒng)的能耗。
• 寬工作電壓（2.7V至5.5V）：適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 工作溫度范圍：-40°C至+85°C：具有較寬的工作溫度范圍，適用于各種工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。

2. 電氣特性

絕對最大額定值

• 電壓：VCC、SDA和SCL引腳相對于地的電壓范圍為 -0.5V至 +6.0V；A0、A1、A2和I/O_n引腳相對于地的電壓范圍為 -0.5V至 (VCC + 0.5V)，但不超過 +6.0V。
• 溫度：工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，EEPROM編程溫度范圍為0°C至 +70°C，存儲溫度范圍為 -55°C至 +125°C。

推薦直流工作條件

直流電氣特性

交流電氣特性

3. 非易失性內(nèi)存特性

EEPROM寫入次數(shù)在 +70°C時可達50,000次。

三、引腳配置與說明

1. 引腳配置

2. 引腳功能詳細說明

• I/O引腳：共有9個雙向I/O引腳（I/O_0 - I/O_8），可獨立配置為輸入或輸出。
• 地址引腳（A0、A1、A2）：用于確定設(shè)備的I2C從地址。當引腳連接到GND時，對應(yīng)從地址位為‘0’；連接到VCC時，對應(yīng)從地址位為‘1’。
• SDA和SCL引腳：用于I2C通信，SDA為串行數(shù)據(jù)引腳，SCL為串行時鐘引腳。
• VCC和GND引腳：分別為電源和地引腳。

四、詳細功能解析

1. 可編程NV I/O引腳

每個可編程I/O引腳由一個輸入和一個帶有可選內(nèi)部上拉電阻的集電極開路輸出組成。通過寫入上拉使能寄存器（F0h和F1h）可啟用每個I/O引腳的上拉電阻；寫入I/O控制寄存器（F2h和F3h）可將輸出拉低或?qū)⑾吕?a target="_blank">晶體管置于高阻抗狀態(tài)；讀取I/O狀態(tài)寄存器（F8h和F9h）可獲取I/O引腳的電壓電平。I/O控制寄存器和上拉使能寄存器都是SRAM影子EEPROM寄存器，可通過配置寄存器中的SEE位禁用EEPROM寫入，減少寫入寄存器所需的時間，并增加I/O引腳在EEPROM磨損前的調(diào)整次數(shù)。

2. 內(nèi)存映射和內(nèi)存類型

DS4520的內(nèi)存映射包含三種不同類型的內(nèi)存：EEPROM、SRAM影子EEPROM和SRAM。

• EEPROM：非易失性內(nèi)存，寫入這些位置會觸發(fā)EEPROM寫入周期，寫入時間由交流電氣特性表中的tWR指定。
• SRAM影子EEPROM：可通過配置寄存器中的SEE位（F4h的最低位）設(shè)置為兩種模式。當SEE = 0（默認）時，內(nèi)存位置表現(xiàn)得像EEPROM；當SEE = 1時，寫入影子SRAM而不是EEPROM，消除了EEPROM寫入時間和EEPROM磨損的問題，適用于需要頻繁寫入I/O的應(yīng)用。
• SRAM：標準SRAM，用于臨時存儲數(shù)據(jù)。

3. 從地址和地址引腳

DS4520的從地址由A0、A1和A2地址引腳的狀態(tài)決定。地址引腳連接到GND時，從地址的相應(yīng)位為‘0’；連接到VCC時，相應(yīng)位為‘1’。

五、I2C串行接口

1. I2C定義

• 主設(shè)備：控制總線上的從設(shè)備，生成SCL時鐘脈沖、啟動和停止條件。
• 從設(shè)備：根據(jù)主設(shè)備的請求發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
• 總線空閑：停止和啟動條件之間的時間，此時SDA和SCL都處于非活動狀態(tài)且為邏輯高電平，通常會使從設(shè)備進入低功耗模式。
• 啟動條件：主設(shè)備生成啟動條件以啟動與從設(shè)備的新數(shù)據(jù)傳輸，當SCL保持高電平時，SDA從高電平轉(zhuǎn)換為低電平產(chǎn)生啟動條件。
• 停止條件：主設(shè)備生成停止條件以結(jié)束與從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，當SCL保持高電平時，SDA從低電平轉(zhuǎn)換為高電平產(chǎn)生停止條件。
• 重復(fù)啟動條件：主設(shè)備在一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時使用重復(fù)啟動條件，以立即啟動下一次數(shù)據(jù)傳輸，常用于讀操作中指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗純?nèi)存地址。
• 位寫入：SDA的轉(zhuǎn)換必須在SCL的低電平期間進行，SDA上的數(shù)據(jù)在SCL的整個高脈沖期間以及建立和保持時間內(nèi)必須保持有效且不變，數(shù)據(jù)在SCL的上升沿移入設(shè)備。
• 位讀取：在寫操作結(jié)束時，主設(shè)備必須在下次SCL上升沿之前釋放SDA總線一段時間，設(shè)備在SCL前一個脈沖的下降沿將數(shù)據(jù)位移出SDA，在當前SCL脈沖的上升沿數(shù)據(jù)位有效。
• 確認（ACK和NACK）：在字節(jié)傳輸期間，第9位總是確認位。接收數(shù)據(jù)的設(shè)備（讀操作時的主設(shè)備或?qū)懖僮鲿r的從設(shè)備）通過在第9位發(fā)送0進行ACK，發(fā)送1進行NACK。ACK表示設(shè)備正確接收數(shù)據(jù)，NACK用于終止讀序列或表示設(shè)備未接收數(shù)據(jù)。

2. I2C通信操作

寫入單個字節(jié)到從設(shè)備

主設(shè)備必須生成啟動條件，寫入從地址字節(jié)（R/W = 0），寫入內(nèi)存地址，寫入數(shù)據(jù)字節(jié)，然后生成停止條件。在所有字節(jié)寫入操作中，主設(shè)備必須讀取從設(shè)備的確認。

寫入多個字節(jié)到從設(shè)備

主設(shè)備生成啟動條件，寫入從地址字節(jié)（R/W = 0），寫入內(nèi)存地址，最多寫入8個數(shù)據(jù)字節(jié)，然后生成停止條件。DS4520能夠在一次寫入事務(wù)中寫入最多8個字節(jié)（一頁或一行），內(nèi)部地址計數(shù)器允許在不發(fā)送每個數(shù)據(jù)字節(jié)前的內(nèi)存地址的情況下將數(shù)據(jù)寫入連續(xù)地址，但地址計數(shù)器限制寫入為一個8字節(jié)頁面。若要防止地址回繞，主設(shè)備必須在頁面結(jié)束時發(fā)送停止條件，等待總線空閑或EEPROM寫入時間過去，然后生成新的啟動條件，寫入從地址字節(jié)和下一個內(nèi)存行的第一個內(nèi)存地址，再繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。

確認輪詢

每次寫入EEPROM頁面時，DS4520在停止條件后需要EEPROM寫入時間（tw）將頁面內(nèi)容寫入EEPROM。在EEPROM寫入時間內(nèi)，設(shè)備不確認其從地址，因為它處于忙碌狀態(tài)?？梢酝ㄟ^重復(fù)尋址DS4520來利用這一現(xiàn)象，以便設(shè)備準備好后立即繼續(xù)通信。另一種方法是在嘗試訪問設(shè)備之前等待最長tw時間。

EEPROM寫入周期

當EEPROM寫入發(fā)生時，DS4520會寫入整個EEPROM內(nèi)存頁面，即使只修改了頁面上的單個字節(jié)。未修改頁面上所有8個字節(jié)的寫入是有效的，不會損壞同一頁面上的其他字節(jié)。由于整個頁面被寫入，即使事務(wù)中未修改的頁面上的字節(jié)也仍然會經(jīng)歷一次寫入周期。

從從設(shè)備讀取單個字節(jié)

讀操作在內(nèi)存地址計數(shù)器的當前值處進行。主設(shè)備生成啟動條件，寫入從地址字節(jié)（R/W = 1），讀取數(shù)據(jù)字節(jié)并發(fā)送NACK表示傳輸結(jié)束，然后生成停止條件。為了從指定內(nèi)存位置進行讀取，可以使用虛擬寫周期將地址計數(shù)器強制設(shè)置為特定值。

從從設(shè)備讀取多個字節(jié)

讀操作可以用于一次讀取多個字節(jié)。主設(shè)備在讀取數(shù)據(jù)字節(jié)時，如果希望繼續(xù)讀取另一個字節(jié)，則發(fā)送ACK；讀取最后一個字節(jié)后，必須發(fā)送NACK表示傳輸結(jié)束，然后生成停止條件。

六、應(yīng)用注意事項

1. 電源去耦

為了獲得最佳效果，強烈建議在IC電源引腳使用去耦電容。典型的去耦電容值為0.01μF和0.1μF，應(yīng)使用高質(zhì)量的陶瓷表面貼裝電容，并盡可能靠近IC的VCC和GND引腳安裝，以最小化引線電感。

2. 芯片和封裝信息

DS4520的晶體管數(shù)量為14,398，基板接地。關(guān)于最新的封裝外形信息和焊盤圖案（封裝尺寸），可訪問www.maximintegrated.com/packages。

七、總結(jié)

DS4520作為一款功能強大的9位I2C非易失性I/O擴展器，具有豐富的特性和靈活的配置選項，適用于多種應(yīng)用場景。通過對其電氣特性、引腳配置、內(nèi)存映射和I2C通信等方面的詳細了解，電子工程師可以更好地將其應(yīng)用于實際設(shè)計中，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。在使用過程中，需要注意電源去耦等應(yīng)用注意事項，以確保設(shè)備的正常運行。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似I/O擴展器的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。