IIC 总线协议（Verilog）_iic verilog

        IIC (Inter - Integrated Circuit BUS) 集成电路总线，它是一种串行通信总线，多使用主从架构。IIC 接口共有两条总线线路，即 SCL（串行时钟线）、SDA（串行数据线）。IIC 总线是半双工数据传输，所以 IIC 总线上的每个连接的器件都有唯一的器件地址，但任何时刻都只有一个主机，这样主机就能按照地址来找相应的从机传输数据了。

IIC 协议：

       1、在时钟（SCL）为高电平的时候，数据总线（SDA）必须保持稳定，所以数据总线（SDA） 在时钟（SCL）为低电平的时候才能改变。

       2、时钟线（SCL）为高电平期间，数据线（SDA）由高电平向低电平的变化表示起始信号）（Start）；时钟线（SCL）为高电平期间，数据线（SDA）由低电平向高电平的变化表示终止信号（Stop）；   

起始信号和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生前，总线就处于空闲状态（SCL = 1，SDA = 1）；在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。  

       3、IIC 主机将 8 bit 数据或命令传出去之后，当时钟线（SCL）为高电平期间，如果监测到数据线（SDA）为低电平，说明有应答信号（ACK：低电平 0 表示应答，1 表示非应答），应答信号是由数据接收方即从机发出的。

        使用 IIC 总线传输数据的时候首先是要发送“起始信号”，紧跟着就是七位器件地址，第八位是数据读写控制位（0：代表写(Write)，1：代表读(Read)），再后面就是等待从机的应答。传输结束后，“终止信号”也是由主机来产生的，由此可知，在整个传输过程中，从机只发出了应答信号，而且发送数据的时候是高位先发送。

IIC 器件地址：

        每个 IIC 器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设置好了，用户不可以更改，有的确定了几位，剩下几位由硬件确定，例如常见的 IIC 接口的 EEPROM 存储器，前四个地址已经确定为1010，后三个地址由用户自己在硬件设计时确定。

        严格来说，主机不是直接向从机发送地址，而是主机往 IIC 总线上发送地址，所有的从机都能接收到主机发出的地址，然后每个从机都将主机发出的地址与自己的地址比较，如果匹配上了，这个从机就会向总线发出一个响应信号。主机收到响应信号后，开始向总线上发送数据， 这样就与这个从机的通讯就建立起来了。如果主机没有收到响应信号，则表示寻址失败。通常情况下，主从器件的角色是确定的，也就是说从机一直工作在从机模式。

        IIC 协议在进行数据传输时，主机需要首先向总线上发出控制命令，其中控制命令就包括了从机器件地址和读写控制，然后等待从机响应。下图为 IIC 控制命令传输的数据格式。

IIC 存储器地址：

        每个支持 IIC 协议的器件，内部总会有一些可供读写的寄存器或存储器，例如， EEPROM 存储器，内部就是顺序编址的一系列存储单元（寄存器和存储器）。因此，我们要对一个器件中的存储单元进行读写，就必须要能够指定存储单元的地址。IIC 协议设计了从机存储单元寻址地址段，在主机确认收到从机返回的控制字节响应后由主机发出。该地址段为一个字节或两个字节长度，例如同是 EEPROM 存储器，AT24C04 的址段长度为一个字节，而 AT24C64 的地址段长度为两个字节。具体是一个字节还是两个字节，与器件的存储单元数量有关，以下为 1 字节地址和 2 字节地址器件的地址分布图。

IIC 写时序：

      单/双字节地址写时序与连续写时序（页写）

单字节地址写时序

 单字节地址连续写时序

 双字节地址写时序

  双字节地址连续写时序

        单字节地址连续多字节写数据过程：

        ①主机发起起始信号；

        ②主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；

        ③主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ④主机读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；

        ⑤主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ⑥主机读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的第 1 个数据；

        ⑦设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ⑧读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的下一个数据；

        ⑨设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；n 个数据被写完，转到步骤⑩，若数据未被写完，转到步骤⑧；

        ⑩读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。

        单字节地址单字节写数据过程： ①②③④⑤⑥⑦⑩

        双字节地址单字节写数据过程： ①②③④⑤④⑤⑥⑦⑩  其中第一个④⑤传输高字节地址数据，第二个④⑤传输低字节地址。

        双字节地址连续多字节写数据过程： ①②③④⑤④⑤⑥⑦⑧⑨⑩  其中第一个④⑤传输高字节地址数据，第二个④⑤传输低字节地址。

IIC 读时序：

      单/双字节地址读时序与连续读时序（页读取）

单字节地址读时序

单字节地址连续读时序 

双字节地址读时序 

 双字节地址连续读时序

        单字节地址连续多字节读数据过程： 

        ①主机发起起始信号；

        ②主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作；

        ③主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ④读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据；

        ⑤主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ⑥读取应答信号成功，主机发起起始信号；

        ⑦主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作；

        ⑧设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；

        ⑨读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的第 1 个字节 的数据；

        ⑩主机设置 SDA 输出，发送一位应答信号；

        ⑪设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的下一个字节的数据；若 n 个字节数据读完成，跳转到步骤 ⑫，若数据未读完，跳转到步骤 ⑩；

        ⑫主机设置 SDA 输出，产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总 线会被自动拉高）；

        ⑬主机产生 STOP 位，终止传输。

        单字节地址单字节读数据过程： ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑫⑬

        双字节地址单字节读数据过程： ①②③④⑤④⑤⑥⑦⑧⑨⑫⑬  其中第一个④⑤传输高字节地址数据，第二个④⑤传输低字节地址。

        双字节地址连续多字节读数据过程： ①②③④⑤④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬  其中第一个④⑤传输高字节地址数据，第二个④⑤传输低字节地址。

IIC_TOP：

        此次设计的 IIC 从机模块 IIC_TOP 的结构图如下：

        如图所示，IIC_TOP 模块包括一个 IIC_slave 模块和 SRAM 模块。IIC_Master，也就是 IIC 主机给 IIC 从机模块通过串行时钟线 scl 和串行数据线 sda_in 把所要输入的 device_id ( 最低位为 0 ) 、w_addr 、w_data 以 IIC 协议的形式写入 IIC_slave 中，IIC_slave 根据 w_addr 把 w_data 存入SRAM 中，这也就构成了 IIC 协议的写操作；IIC_Master 再次通过串行时钟线 scl 和串行数据线 sda_in 输入 device_id ( 最低位为 1 ) 、r_addr 以 IIC 协议的形式输入到 IIC_slave 中，IIC_slave 根据 r_addr 把 r_data 从 SRAM 中读出并由 sda_out 把 r_data 从最高位到最低位依次读出，这也就构成了 IIC 协议的读操作。

        以下为 IIC_slave 模块的结构图： 

         引脚列表：

        写数据波形：

         读数据波形：