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详解IIC通信协议以及FPGA实现
作者：weixin_40725706 | 2024-04-26 18:27:56
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详解IIC通信协议以及FPGA实现
一、IIC简介
IIC也称为I2C（Inter-Integrated Circuit）由飞利浦公司（现在的恩智浦半导体）开发，是一种用于短距离数字通信的串行，同步，半双工通信接口协议；传输在标准模式下可以达到100kbit/s，在快速模式下可以达到400Kbit/s， 在快速模式增强模式下可以达到1Mbit/s，在高速模式下可以达到3.4Mbit/s。
I2C通信协议使用两根线（串行数据线SDA和串行时钟线SCL）进行通信，其中SDA用于传输数据，SCL用于传输时钟信号；支持多主设备和多从设备的通信，通过地址来识别不同的设备，并支持数据的读取和写入操作。
I2C通信协议在很多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用，例如传感器、存储器、显示屏等设备之间的通信；由于其简单的硬件连接和灵活的设备支持，I2C通信协议在许多应用中都具有很好的适用性，通信框图如下：
二、IIC通信协议
由于挂在I2C总线上的设备可以有多个，因此每个挂在I2C总线的设备都有唯一的地址来标识。有些 I2C 器件的器件地址是固定的，而有些 I2C 器件的器件地址由一个固定部分和一个可编程的部分构成，这是因为很可能在一个系统中有几个同样的器件，器件地址的可编程部分能最大数量的使这些器件连接到 I2C 总线上。
2.1 协议层
I2C整体的时序如下图所示：
- 空闲状态：在I2C空闲时因为串行时钟线 SCL 和串行数据线SDA 线都接有上拉电阻而处于高电平状态。
- 起始信号：传输开始前，主机设备会将SDA拉低（当总线空闲时，SDA 和 SCL 都处于高电平状态），然后所有从机设备就会知道传输即将开始。如果两个 master 设备在同一时刻都希望获得总线的所有权，那么谁先将 SDA 拉低，谁就赢得了总线的控制权。
- 传输状态：主机可以向从机写数据或者读数据。
- 停止信号：当数据传输完成，主机在SCL为高电平时，拉高SDA线就表示本次传输完成。
为了保证传输过程稳定，I2C总线协议规定：每次传输数据必须为一个字节（即8bit，高位在前）；在串行时钟线 SCL 为低电平状态时，SDA 允许改变传输的数据位（1 为高电平，0 为低电平）。经过 8 个时钟周期后，传输了 8bit 数据，即一个字节。第 8 个时钟周期末，主机释放 SDA 以使从机应答，在第 9 个时钟周期，从机将 SDA 拉低以应答；如果第 9 个时钟周期，SCL 为高电平时，SDA 未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。第 9 个时钟周期末，从机释放 SDA 以使主机继续传输数据，如果主机发送停止信号，此次传输结束。
2.2 器件地址
地址帧总是在一次通信的最开始出现。一个 7bit 的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟 1bit 的操作符，(1 表示读操作，0 表示写操作) 。地址格式如下所示：
2.3 写时序
主机发送完器件地址加上写命令0，从机正确应答后就处于接收数据的状态；此时，主机向器件发送要写数据的起始地址，从机正确应答后，就开始向该地址写数据了，写时序如下：
单字节数据写入完成，主机接收到应答信号后，向从机发送停止信号，字节写完成。
2.4 读时序
主机发送完器件地址加上读命令1，从机正确应答后就处于发送数据的状态；此时从机向主机发送单字节数据，读时序如下：
三、FPGA实现
本次实现使用I2C协议对EEPROM进行读写操作，在EEPROM的地址0到255，写入0到255的累加数，然后再按照顺序读出来，并使用ILA连续捕获出来看数据是否正确
3.1 结构框图
系统整体流程就是，I2C_ctrl模块负责把要读写的地址和写数据给I2C_interface，I2C_interface模块负责实现I2C协议部分，然后把读出的数据给上游。
3.2 详解I2C_interface模块
3.2.1 接口部分
例化接口代码：
module I2C_interface #
(
parameter SYS_CLK_FREQ = 'd50_000_000, //系统时钟频率
parameter I2C_CLK = 'd100_000, //I2C输出时钟
parameter SLAVE_ADDR = 7'b1010000 //从机地址
)
(
input sys_clk ,
input rst_n ,
input i2c_start , //I2C开始信号
input i2c_byte_addr_ctrl , //为1时表示要写入的内存地址是16位的，1表示8位
input [15:0] i2c_byte_addr , //写入从机内存地址
input i2c_wr_rd_en , //读写使能，0表示写，1表示读
input [7:0] i2c_wr_data , //写入从机的数据
output reg [ 7:0] i2c_rd_data , //从从机读出的数据
output reg i2c_rd_data_valid, //读数据有效信号
output reg i2c_done , //本次I2C操作完成信号
output reg i2c_ack , //从机给的ack信号
output reg scl , //IIC协议的SCL
inout sda , //IIC协议的SDA
output reg i2c_drive_clk //却驱动I2C模块的驱动时钟
);
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3.2.2 定义状态机
使用状态机来实现I2C协议，整个状态机跳转流程图如下：
代码如下：
localparam Idle = 8'b0000_0001; //空闲状态
localparam Write_slave_addr_state = 8'b0000_0010; //发送从机器件地址写状态
localparam Write_byte_addr16_state = 8'b0000_0100; //发送16位内存地址状态
localparam Write_byte_addr8_state = 8'b0000_1000; //发送8位内存地址状态
localparam Write_data_state = 8'b0001_0000; //写数据(8 bit)状态
localparam Write_rd_addr_state = 8'b0010_0000; //发送器件地址读状态
localparam Read_data_state = 8'b0100_0000; //读数据(8 bit)状态
localparam Stop = 8'b1000_0000; //结束I2C操作
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3.2.3 实现I2C模块的驱动时钟部分
使用实际IIC通信的四倍频时钟来驱动整个模块，至于为什么是四倍频，下面会讲到
localparam clk_div_cnt_max = SYS_CLK_FREQ/I2C_CLK/4;//I2C四倍频时钟计数最大值
reg [14:0] clk_cnt ; //分频时钟需要的计数器
//生成SCL的四倍频时钟
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
if(rst_n == 1'b0)begin
i2c_drive_clk <= 1'b0;
clk_cnt <= 'd0;
end
else if(clk_cnt == clk_div_cnt_max[14:1] - 1)begin
i2c_drive_clk <= ~i2c_drive_clk;
clk_cnt <= 'd0;
end
else begin
i2c_drive_clk <= i2c_drive_clk;
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
end
end
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3.2.4 实现控制SDA方向部分
reg sda_ctrl ; //控制sda方向，1的时候sda为输出；0的时候sda为输入
reg sda_out ; //sda输出信号
wire sda_in ; //sda输入信号
//控制SDA
assign sda = sda_ctrl ? sda_out : 1'bz;
assign sda_in = sda;
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3.2.5 实现I2C协议的三段式状态机
3.2.5.1 三段式状态机第一段
reg [7:0] cur_state = Idle; //状态机当前状态
reg [7:0] next_state = Idle; //状态机下一状态
//三段式第一段，时序电路描述状态转移
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) begin
if(rst_n == 1'b0)
cur_state <= Idle;
else
cur_state <= next_state;
end
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3.2.5.2 三段式状态机第二段
reg state_done ; //状态机跳转信号
//三段式第二段，组合逻辑描述状态转移条件
always @(*) begin
case (cur_state)
Idle: begin
if(i2c_start == 1'b1)begin //如果i2c_start 来临时，就跳入到发送从机地址状态
next_state = Write_slave_addr_state;
end
else begin
next_state = Idle;
end
end
Write_slave_addr_state:begin //如果从机地址写完成，判断写入的内存地址是16位还是8位
if(state_done == 1'b1)begin
if(i2c_byte_addr_ctrl == 1'b1)begin
next_state = Write_byte_addr16_state;
end
else begin
next_state = Write_byte_addr8_state;
end
end
else begin
next_state = Write_slave_addr_state;
end
end
Write_byte_addr16_state:begin //写完内存地址的高8位后，跳转到写低8位状态
if(state_done == 1'b1)begin
next_state = Write_byte_addr8_state;
end
else begin
next_state = Write_byte_addr16_state;
end
end
Write_byte_addr8_state:begin //内存地址低8位写完后，判断是读还是写操作
if(state_done == 1'b1)begin
if(wr_rd_flag == 1'b1)
next_state = Write_rd_addr_state;
else
next_state = Write_data_state;
end
else
next_state = Write_byte_addr8_state;
end
Write_data_state:begin //写数据状态，写完成后跳转到停止状态
if(state_done == 1'b1)begin
next_state = Stop;
end
else begin
next_state = Write_data_state;
end
end
Write_rd_addr_state:begin //由于是读操作，因此还要产生一次虚写操作，就是再发送一次7位从机地址+1
if(state_done == 1'b1)begin
next_state = Read_data_state;
end
else begin
next_state = Write_rd_addr_state;
end
end
Read_data_state:begin //接收从机发送的数据
if(state_done == 1'b1)begin
next_state = Stop;
end
else begin
next_state = Read_data_state;
end
end
Stop:begin //产生停止信号，然后跳转到空闲状态
if(state_done == 1'b1)begin
next_state = Idle;
end
else begin
next_state = Stop;
end
end
default: next_state = Idle;
endcase
end
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3.2.5.3 三段式状态机第三段
由于I2C协议规定，sda上的数据需要在scl为高电平的时候保持稳定，只能在scl为低电平的时候改变。因此我们产生一个四倍频的驱动时钟再加一个四倍频时钟的计数器，就能够实现在任何位置改变数据，波形图如下：
从波形图可以看出，在cnt=1时scl为高电平，此时拉低sda就表示了开始信号；然后在cnt=3时，拉低scl；在cnt=4的时候给sda赋值，在cnt=5的时候，拉高scl。后面依次类推。这样就利用scl四倍频的时钟产生了scl与sda，程序如下：
reg wr_rd_flag ; //读写信号，0的时候为写；1的时候为读
reg [6:0] clk4_cnt ; //I2C四倍频时钟周期计数器
reg [15:0] i2c_byte_addr_reg ; //字地址缓存
reg [7:0] i2c_wr_data_reg ; //I2C写数据缓存
reg [7:0] i2c_rd_data_temp ; //I2C读数据临时数据
//三段式第三段，时序逻辑描述状态输出
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) begin
if(rst_n == 1'b0)begin
i2c_rd_data <= 'd0;
i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
i2c_done <= 1'b0;
i2c_ack <= 1'b0;
scl <= 1'b1;
sda_ctrl <= 1'b1;
sda_out <= 1'b1;
state_done <= 1'b0;
wr_rd_flag <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_byte_addr_reg <= 'd0;
i2c_wr_data_reg <= 'd0;
i2c_rd_data_temp <= 'd0;
end
else begin
clk4_cnt <= clk4_cnt + 1'b1;
case (cur_state)
Idle: begin
if(i2c_start ==1'b1)begin //开始传输时，把读写使能，地址，数据都暂存下来
wr_rd_flag <= i2c_wr_rd_en;
i2c_byte_addr_reg <= i2c_byte_addr;
i2c_wr_data_reg <= i2c_wr_data;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
end
else begin
clk4_cnt <= 'd0;
scl <= 1'b1;
sda_ctrl <= 1'b1;
sda_out <= 1'b1;
i2c_done <= 1'b0;
i2c_ack <= 1'b0;
i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
end
end
Write_slave_addr_state:begin
case (clk4_cnt)
'd1: sda_out <= 1'b0; //SCL为高电平时，拉低SDA为起始信号
'd3: scl <= 1'b0;
'd4: sda_out <= SLAVE_ADDR[6]; //低电平时传输器件地址低6位
'd5: scl <= 1'b1;
'd7: scl <= 1'b0;
'd8: sda_out <= SLAVE_ADDR[5]; //低电平时传输器件地址低5位
'd9: scl <= 1'b1;
'd11: scl <= 1'b0;
'd12: sda_out <= SLAVE_ADDR[4]; //低电平时传输器件地址低4位
'd13: scl <= 1'b1;
'd15: scl <= 1'b0;
'd16: sda_out <= SLAVE_ADDR[3]; //低电平时传输器件地址低3位
'd17: scl <= 1'b1;
'd19: scl <= 1'b0;
'd20: sda_out <= SLAVE_ADDR[2]; //低电平时传输器件地址低2位
'd21: scl <= 1'b1;
'd23: scl <= 1'b0;
'd24: sda_out <= SLAVE_ADDR[1]; //低电平时传输器件地址低1位
'd25: scl <= 1'b1;
'd27: scl <= 1'b0;
'd28: sda_out <= SLAVE_ADDR[0]; //低电平时传输器件地址低0位
'd29: scl <= 1'b1;
'd31: scl <= 1'b0;
'd32: sda_out <= 1'b0; //写命令
'd33: scl <= 1'b1;
'd35: scl <= 1'b0;
'd36: begin
sda_out <= 1'b1;
sda_ctrl<= 1'b0; //释放sda总线
end
'd37: scl <= 1'b1;
'd38: begin
state_done <= 1'b1;
if(sda_in == 1'b1) //如果第9位sda为低电平，则表示从机应答成功,状态机跳转
i2c_ack <= 1'b0;
else
i2c_ack <= 1'b1;
end
'd39: begin
state_done <= 1'b0; //拉低状态机跳转信号
clk4_cnt <= 'd0; //计数器清零
scl <= 1'b0;
i2c_ack <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
Write_byte_addr16_state:begin
case (clk4_cnt)
'd0 :begin
sda_ctrl<= 1'b1; //拿回SDA控制权，并且传开始输内存地址的高8位
sda_out <= i2c_byte_addr_reg[15];
end
'd1 : scl <= 1'b1;
'd3 : scl <= 1'b0;
'd4 : sda_out <= i2c_byte_addr_reg[14];
'd5 : scl <= 1'b1;
'd7 : scl <= 1'b0;
'd8 : sda_out <= i2c_byte_addr_reg[13];
'd9 : scl <= 1'b1;
'd11: scl <= 1'b0;
'd12: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[12];
'd13: scl <= 1'b1;
'd15: scl <= 1'b0;
'd16: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[11];
'd17: scl <= 1'b1;
'd19: scl <= 1'b0;
'd20: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[10];
'd21: scl <= 1'b1;
'd23: scl <= 1'b0;
'd24: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[9];
'd25: scl <= 1'b1;
'd27: scl <= 1'b0;
'd28: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[8];
'd29: scl <= 1'b1;
'd31: scl <= 1'b0;
'd32: begin
sda_out <= 1'b1;
sda_ctrl<= 1'b0; //释放sda总线
end
'd33: scl <= 1'b1;
'd34: begin
state_done <= 1'b1;
if(sda_in == 1'b1)
i2c_ack <= 1'b0;
else
i2c_ack <= 1'b1;
end
'd35: begin
state_done <= 1'b0;
scl <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_ack <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
Write_byte_addr8_state:begin
case (clk4_cnt)
'd0 :begin
sda_ctrl<= 1'b1; //拿回SDA控制权,并且传开始输内存地址的低8位
sda_out <= i2c_byte_addr_reg[7];
end
'd1 : scl <= 1'b1;
'd3 : scl <= 1'b0;
'd4 : sda_out <= i2c_byte_addr_reg[6];
'd5 : scl <= 1'b1;
'd7 : scl <= 1'b0;
'd8 : sda_out <= i2c_byte_addr_reg[5];
'd9 : scl <= 1'b1;
'd11: scl <= 1'b0;
'd12: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[4];
'd13: scl <= 1'b1;
'd15: scl <= 1'b0;
'd16: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[3];
'd17: scl <= 1'b1;
'd19: scl <= 1'b0;
'd20: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[2];
'd21: scl <= 1'b1;
'd23: scl <= 1'b0;
'd24: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[1];
'd25: scl <= 1'b1;
'd27: scl <= 1'b0;
'd28: sda_out <= i2c_byte_addr_reg[0];
'd29: scl <= 1'b1;
'd31: scl <= 1'b0;
'd32: begin
sda_out <= 1'b1;
sda_ctrl<= 1'b0; //释放sda总线
end
'd33: scl <= 1'b1;
'd34: begin
state_done <= 1'b1;
if(sda_in == 1'b1)
i2c_ack <= 1'b0;
else
i2c_ack <= 1'b1;
end
'd35: begin
state_done <= 1'b0;
scl <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_ack <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
Write_data_state:begin
case (clk4_cnt)
'd0 :begin
sda_ctrl<= 1'b1; //拿回SDA控制权，并且传开始输8位写数据
sda_out <= i2c_wr_data_reg[7];
end
'd1 : scl <= 1'b1;
'd3 : scl <= 1'b0;
'd4 : sda_out <= i2c_wr_data_reg[6];
'd5 : scl <= 1'b1;
'd7 : scl <= 1'b0;
'd8 : sda_out <= i2c_wr_data_reg[5];
'd9 : scl <= 1'b1;
'd11: scl <= 1'b0;
'd12: sda_out <= i2c_wr_data_reg[4];
'd13: scl <= 1'b1;
'd15: scl <= 1'b0;
'd16: sda_out <= i2c_wr_data_reg[3];
'd17: scl <= 1'b1;
'd19: scl <= 1'b0;
'd20: sda_out <= i2c_wr_data_reg[2];
'd21: scl <= 1'b1;
'd23: scl <= 1'b0;
'd24: sda_out <= i2c_wr_data_reg[1];
'd25: scl <= 1'b1;
'd27: scl <= 1'b0;
'd28: sda_out <= i2c_wr_data_reg[0];
'd29: scl <= 1'b1;
'd31: scl <= 1'b0;
'd32: begin
sda_out <= 1'b1;
sda_ctrl<= 1'b0; //释放sda总线
end
'd33: scl <= 1'b1;
'd34: begin
state_done <= 1'b1;
if(sda_in == 1'b1)
i2c_ack <= 1'b0;
else
i2c_ack <= 1'b1;
end
'd35: begin
state_done <= 1'b0;
scl <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_ack <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
Write_rd_addr_state:begin
case (clk4_cnt)
'd0:begin
sda_ctrl<= 1'b1; //拿回SDA控制权,开始传输器件地址加上读命令
sda_out<= 1'b0;
end
'd1: scl <= 1'b1;
'd2: sda_out<= 1'b1; //停止信号
'd4: sda_out<= 1'b0; //开始信号
'd6: scl <= 1'b0;
'd7: sda_out <= SLAVE_ADDR[6];
'd8: scl <= 1'b1;
'd10: scl <= 1'b0;
'd11: sda_out <= SLAVE_ADDR[5];
'd12: scl <= 1'b1;
'd14: scl <= 1'b0;
'd15: sda_out <= SLAVE_ADDR[4];
'd16: scl <= 1'b1;
'd18: scl <= 1'b0;
'd19: sda_out <= SLAVE_ADDR[3];
'd20: scl <= 1'b1;
'd22: scl <= 1'b0;
'd23: sda_out <= SLAVE_ADDR[2];
'd24: scl <= 1'b1;
'd26: scl <= 1'b0;
'd27: sda_out <= SLAVE_ADDR[1];
'd28: scl <= 1'b1;
'd30: scl <= 1'b0;
'd31: sda_out <= SLAVE_ADDR[0];
'd32: scl <= 1'b1;
'd34: scl <= 1'b0;
'd35: sda_out <= 1'b1; //读命令
'd36: scl <= 1'b1;
'd38: scl <= 1'b0;
'd39: begin
sda_out <= 1'b1;
sda_ctrl<= 1'b0; //释放sda控制权
end
'd40: scl <= 1'b1;
'd41: begin
state_done <= 1'b1;
if(sda_in == 1'b1)
i2c_ack <= 1'b0;
else
i2c_ack <= 1'b1;
end
'd42: begin
state_done <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
scl <= 1'b0;
i2c_ack <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
Read_data_state:begin
case (clk4_cnt)
'd1: scl <= 1'b1;
'd2: i2c_rd_data_temp[7] <= sda_in;
'd3: scl <= 1'b0;
'd5: scl <= 1'b1;
'd6: i2c_rd_data_temp[6] <= sda_in;
'd7: scl <= 1'b0;
'd9: scl <= 1'b1;
'd10: i2c_rd_data_temp[5] <= sda_in;
'd11: scl <= 1'b0;
'd13: scl <= 1'b1;
'd14: i2c_rd_data_temp[4] <= sda_in;
'd15: scl <= 1'b0;
'd17: scl <= 1'b1;
'd18: i2c_rd_data_temp[3] <= sda_in;
'd19: scl <= 1'b0;
'd21: scl <= 1'b1;
'd22: i2c_rd_data_temp[2] <= sda_in;
'd23: scl <= 1'b0;
'd25: scl <= 1'b1;
'd26: i2c_rd_data_temp[1] <= sda_in;
'd27: scl <= 1'b0;
'd29: scl <= 1'b1;
'd30: i2c_rd_data_temp[0] <= sda_in;
'd31: scl <= 1'b0;
'd32: begin
sda_ctrl<= 1'b1;
sda_out <= 1'b1;
end
'd33: scl <= 1'b1;
'd34: state_done <= 1'b1;
'd35: begin
state_done <= 0;
scl <= 1'b0;
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_rd_data <= i2c_rd_data_temp;
i2c_rd_data_valid <= 1'b1;
end
default: ;
endcase
end
Stop:begin
case (clk4_cnt)
'd0: begin
sda_ctrl<= 1'b1;
sda_out <= 1'b0;
end
'd1: scl <= 1'b1; //在scl为高电平时候，拉高sda代表停止信号
'd3: sda_out <= 1'b1;
'd10: state_done <= 1'b1;
'd11: begin
clk4_cnt <= 'd0;
i2c_done <= 1'b1;
state_done <= 1'b0;
end
default: ;
endcase
end
default: ;
endcase
end
end
endmodule
- 1
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3.3 详解I2C_ctrl模块
该模块主要产生要读和要写的数据和地址，本次想要在EEPROM的0-255地址写入0-255的数字。因为本次板卡上的EEPROM手册要求每次操作完一次后，需要等待500ms，因此本模块也是有状态机完成，每次跳转等待500ms，知道读写完256个数字，代码如下：
`timescale 1ns/1ns
module I2C_ctrl
(
input clk ,
input rst_n ,
output reg i2c_wr_rd_en , //I2C读写控制信号
output reg i2c_start , //I2C触发执行信号
output reg [15:0] i2c_byte_addr , //I2C器件内地址
output reg [ 7:0] i2c_wr_data , //I2C要写的数据
input [ 7:0] i2c_rd_data , //I2C读出的数据
input i2c_done , //I2C一次操作完成
input i2c_ack, //I2C应答标志
output reg [3:0] led
);
localparam delay_cnt_max = 200000;
reg [25:0] delay_cnt ;
reg [3:0] state ;
reg rw_done ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(rst_n == 1'b0)begin
state <= 'd0;
delay_cnt <= 'd0;
i2c_start <= 1'b0;
i2c_byte_addr <= 'd0;
i2c_wr_rd_en <= 1'b0 ;
i2c_wr_data <='d0;
rw_done <= 1'b0;
led <= 4'b1111;
end
else begin
i2c_start <= 1'b0;
rw_done <= 1'b0;
case (state)
0: begin
delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begin
delay_cnt <= 'd0;
if(i2c_byte_addr == 255)begin
i2c_byte_addr <= 'd0;
i2c_wr_rd_en <= 1'b1;
state <= 2;
end
else begin
state <= 1;
i2c_start <= 1'b1;
end
end
else begin
state <= 'd0;
end
end
1:begin
if(i2c_done == 1'b1)begin
state <= 0;
i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr + 1'b1;
i2c_wr_data <= i2c_wr_data + 1'b1;
end
else
state <= 'd1;
end
2: begin
i2c_start <= 1'b1;
state <= 3;
end
3:begin
delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begin
delay_cnt <= 'd0;
if(i2c_byte_addr == 255)begin
rw_done <= 1'b1;
led<= 4'b0000;
state <= 0;
end
else begin
state <= 2;
i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr +1'b1;
end
end
else begin
state <= 'd3;
end
end
default: ;
endcase
end
end
endmodule
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
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- 91
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- 93
- 94
3.4 仿真测试
顶层接口就如同系统框图所示，只有sys_clk，rst_n，以及scl，sda。因此tb文件只需要写入一个时钟和复位即可，然后打开仿真，由于每次操作延时了500ms，可以在仿真的时候修改sys_clk的值来加快仿真，打开仿真如下所示：
我们可以看到，每次请求iic传输时，给的地址和数据都是累加的，我们放大局部来看具体细节：
当收到i2c_start信号的时候，首先传输开始信号，然后传输设备地址，本次EEPROM地址为1010000，然后跟上写操作0，第九位释放总线，判断ack。其它的同理。
3.5 上板验证
我们添加ila然后打开capture mode抓取信号，观察读出来的数据是否连续，关于capture mode怎么使用，请看《Vivado ILA Capture Control 模式与 Advanced Trigger的功能使用以及TSM（触发状态机）的编写》这篇文章，下载bit文件后，打开ila窗口，设置捕捉信号为，rd_data_valid上升沿，观察波形如下：
我们可以看到，读出来的数据是0-255循环累加的数，验证成功。
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