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 シリアルＥＥＰＲＯＭ

　イントロダクション
 　Windowsのプログラムや、マイコンのプログラムでも内蔵ＲＯＭ／ＲＡＭだけを扱ってプログラミングをしているとほとんど意識することがないし、下手をすれば知らずにプログラミングを行っている人すらいるかも知れないが、あらゆるデータの処理には「アドレス」と「データ」の２つを常にペアで扱わなければいけません。
　つまり、「このデータは何番地に格納する」という事を意識しておかなければプログラムを理解しているとは言い難いでしょう。

　これから紹介するシリアルEEPROM（Microchip社製24LC256）はそれがより一層身近に経験できるチップです。まず、右の写真を見てください。これは256Kbit（＝32KB）の記憶容量を持つEEPROMです。「あれ？」と思った方は勘が鋭いか、すでに「シリアルEEPROM」の意味を理解していると言って良いでしょう。

　先ほどから述べているように、それが記憶装置である以上はかならずアドレスを指定するアドレスバスと、データを送受信するデータバスの２種類が存在します。それは内蔵であろうと外付けであろうと原理はまったく変わりません。そして、それらのバス幅というのは、たとえばアドレス空間（＝記憶容量）が0x0000〜0x7fffまで（32KB）とすると、２進数で表すためには１５桁が最低でも必要です。これは物理的にはアドレス指定用の端子が１５本必要であると言うことです。もうひとつのデータバスについては、アクセスが８ビットアクセスか１６ビットアクセスかによって８本または１６本必要になります。

　しかし、この写真のチップは８本しか端子がありません。なぜこれでアドレスとデータの両方をリード・ライトできるのでしょう？　その答えのキーワードが「シリアル」です。つまり、本来はアドレスとデータを同時にパラレルでリード・ライトするところを、時間を掛けてシリアルでリード・ライトするわけです。

　右の図を見てください。この図で「ＳＤＡ」と書いてある端子がアドレスバス兼データバス兼チップセレクト兼ライトイネーブル兼アウトプットイネーブルになります。

　では他の端子は何のためにあるのでしょう？　まず、A0〜A2はチップセレクトです。このチップでは最大８個のチップを並列に繋いで32KB×８＝256KBの容量として使うことができます。そこで、ホストとなるマイコン（ここではＨ８）からはＳＤＡを通じてどのチップにアクセスしたいのかを指定しますが、チップ本体の方はこのピンがVss電圧になっているか、それともVdd電圧になっているかで自分が何番目のチップとして指定されているのかを判断します。
　たとえば、A0〜A2が全部ＧＮＤになっていれば、チップ０番として扱われます。逆に全部Vddに繋がっていればチップ７番として扱われます。そして、ホスト側は「何番目のチップの、何番のアドレスに、このデータを書く」とか、「何番目のチップの、何番のアドレスのデータを読む」というように命令を送ります。これが冒頭でアドレスの考え方がよく分かるチップと言った理由です。

　次にＷＰ端子ですが、これはWrite Protectの略ですから、そのままの意味ですね。バー（￣）が付いていませんから、Highで有効という風に考えます（かならずしも全国共通ではありませんから実際の使用ではちゃんと確認してください）。だから、これをＧＮＤに繋いである間はリードもライトも可能になります。

　VssとVddは電子回路を扱っていれば絶対に遭遇するので改めて説明は不用かもしれませんが、Vssが一般にＧＮＤ電圧で、Vddが電源電圧（このチップは2.5〜5.5Ｖと幅が広い）です。

　最後のＳＣＬですが、これは言葉で説明するのは面倒ですので、まずは下の図を見てください。

 　EEPROMにデータを送る際にはまずSDAの信号をHighかLowの目的とする方に変化させます。それから一定時間待ってからSCL（クロック信号）をLowからHighに変化させます。すると、図の赤で示した部分だけがEEPROMにとって有効な情報として認識されます。
　ですから、８ビットの情報を送りたいときにはこのＳＣＬのクロック信号を８回送らなければいけないという事になります。これがなかなか面倒なので、タイマーのPWM機能などに任せてしまいたくなるのですが、クロック数は過不足があっては決していけないので、余計に難しくなってしまいます。ですから面倒でも自力でこのタイミングを作り出しましょう。

　（注）
　厳密には実際のタイミングはこの図のようにエッジの頂点で有効になるわけではありません。それぞれのチップによってHighと認識する電圧と、Lowと認識する電圧、およびその電圧に達してから本当にチップが認識できるまでの時間が絡み合ってきます。これらはそれぞれの仕様書で確認するしかありません。

　リード・ライトの方法
　リードとライトは命令としてはほとんど同じですが、何カ所か落とし穴があるので早勝手しないように気を付けてください。

ライト
　普通は「読むことすらできないものを書こうなんて気が早い」と言われるのですが、書かないことにはそもそも読めているのかどうかも分かりませんし、このチップに関しては書く方が楽なのでこちらから説明します。

　送信する命令は次のように６つのフェーズに分かれており、それぞれを「Acknowledge Bit」と呼ばれる区切りを挟んで連続して送信します。

　まずスタートビットですが、これはＳＤＡとＳＣＬを特定の状態にすることによって、チップに対して「これからリードかライトをするぞ」と宣言します。具体的には、ＳＤＡとＳＣＬは通常は両方ともHighになっていますが、これをＳＤＡを先にLowに落とし、しばらく待ってからＳＣＬもLowに落とします。

　コントロールコードとは、[1010]＋[チップセレクト]＋[リード(1)／ライト(0)]　という書式になっており、たとえばチップ１番にライトする場合には「10100010」というコードになります。

　続いて上位アドレスですが、このチップでは0x0000〜0x7fffまでしかアドレス空間がありませんので、最上位ビットは使用しません。したがって、実際には８〜１４ビット目までが有効で、１５ビット目は０でも１でも無視されます。

　下位アドレスも同様に送信します。
　ですから、アドレスがたとえば0x3502だったとすると、アドレス指定は「00110101 (ACK) 00000010」のようになります。

　データ本体は上位からでも下位からでも好きなように格納できますが、リードとライトで逆にならないようにだけ注意してください。

　最後のストップビットは、「これで処理完了」という宣言ですから、いかなる場合も必ず最後はこれで終わらなければいけません。まずＳＣＬをLowからHighに変化させ、しばらく待ってからＳＤＡをLowからHighにすれば一連の命令は終わります。

　ここまでを連続して書くと、「チップ１番の0x3502番地に0x55というデータを書く」だったら、ＳＤＡは

　(Start)　10100010　(ACK)　00110101　(ACK)　00000010　(ACK)　01010101　(ACK）　(Stop)

という風になります。ここで「ＡＣＫ（Acknowledge Bit）」とは、ＳＤＡのデータはそのままでも、あえてHighかLowに統一しても良いのですが、なにしろ次のコードを送る前にＳＣＬを１パルス送ることです。

　最後に、ライトで気を付けておかなければいけないのは、一度ライティングを行ってから次のライティングを行うまでの待ち時間です。１バイト書くだけならば実はかなり高速なライティングが可能なのですが、このチップでは残念なことにその速度で連続して書き続けることはできません。仕様書ではなんと5msecも待たなければいけないことになっています。私の実験では3.5msecでも次のライティングができましたが、当然保証の範囲外です。

リード
　リードはライトよりも面倒です。唯一の救いは１バイトとリードしてから次のリードまで待ち時間があるということはさすがに無いのがせめてもの救いです。

　フェーズは次のようになっています。

なかなか腑に落ちないと思いますが、最初は「ライト」を指定します。これは続いてアドレスを「ライト」するからこういう指定になります。そして、ライトデータを送る代わりにもう一度スタートビットを送り、今度は「リード」を指定します。すると今までホストからチップへの一方通行だったＳＤＡから逆にデータが送られてきます。当然ですが、フェーズ６のコードを送った後のAcknowledge Bitの時にはＳＤＡは出力から入力に切り換えておかなければいけません。いうまでもなく、接続しているポートの「DDR」を「１」から「０」にするだけです。
　ちなみに今まで一度も言いませんでしたが、ポートの入出力の設定は動作中でも任意に切り換えることが可能です。「初期化の時に出力にしたから・・・」なんていう制約はありません。

　また、フェーズ７から８への移行の時だけはAcknowledge Bitは不要です。ここでＳＣＬを１パルス送ると、「連続リードモード」になり、次のアドレスのデータが出てきてしまいます。だから終了する場合にはデータを受け取ったらすぐさまストップビットを送ります。

　それと、「仕様書に書いてある」と言われたらそれまでなのですが、リード時には物理的な大きな落とし穴が有ります。それは、このチップのＳＤＡ端子が「オープンドレイン端子」になっていることです。オープンドレイン端子とは、それ自身は電圧を出力する能力を持ちません。したがって別電源でプルアップしてやらなければ一度Lowに落ちてしまえば待てど暮らせどHighにはなりません。
　なぜこのような難解な端子を使っているかですが、ちゃんと根拠があります。我々は普段０Ｖと５Ｖで動くチップを扱っているから意識から抜けがちですが、世の中には3.3Vで動く物や、その他もろもろの電圧が存在します。それらに対して５Ｖの出力を送りつけたのでは都合が悪いのです。悪ければ一撃で昇天させてしまいます。そこでこのようなポートを使えば任意の電圧で出力を出せ、汎用性が上がるという仕組みです。

　もちろん回路でプルアップしてもまったく問題有りませんし、マイクロチップ社が想定しているのもそういう使い方です。しかし、Ｈ８には都合の良いことにプルアップ抵抗の入ったポートが複数存在します。それらの内蔵プルアップ（ＰＣＲ）を有効にすれば回路を増やさずに済みます。

サンプルプログラム
　このプログラムは実際に私が実験に使用したバージョンです。ＬＣＤモニタを接続し、ライトしたデータを読み出し、それを表示するようにしています。EEPROMに関する関数はすべてfunc_EEP.cにまとめられていますので、それとmyfunc.hの２つをインクルードすれば他のプログラムでも使えるはずです。

　ただし、Hewのバージョンが1.2に上がっていますので、旧バージョンではプロジェクトを開けない可能性がありますのでその場合は適宜対応してください。

test13.lzh(30KB)