通过FPGA实现I2C_fpga i2c

特别说明：以下所涉及代码参考网络、相关开发板厂家。只用于自己学习、理解和感悟。
I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二进制串行总线。只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间信息传递。
I2C的标准速率为100kbit/s，快速模式时速率为400kbit/s，支持多机通讯，支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控。由数据线SDA和时钟线SCL构成串行总线。每个电路和模块都有唯一的地址。
以下以AT24C04为例说明I2C的基本读写操作，I2C设备的操作可分为读写单个存储字节和多个存储字节。读写时序示意图如下所示：




如上图所示，I2C通信分为空闲状态、开始态、信息传输态、停止态。传输信息分为：设备地址、读写标志、应答信号、存储地址、数据。
空闲态：
SDA和SCL同时处于高电平（硬件电路中一般SDA和SCL线通过电阻上拉），进行总线释放。
开始态：
开始态时，SDA和SCL处于高电平状，当数据线SDA由高电平跳变到低电平后进入开始态。开始态代表一次数据传输的开始。
信息传输态：
I2C总线上，每一位数据都与一个时钟脉冲对应，即在每个数据位在相对应的时钟沿进行串行传送。在I2C总线上，时钟的高电平时，数据线上的数据保持稳定；时钟的低电平时，才允许电平改变状态。 数据信息传输过程中伴随着应答信号的发生。应答分位ACK和NACK。I2C总线上的数据都是以8位字节传送的。发送器每发送一个字节后，在第9个时钟脉冲期间释放数据线，同时等待接收器所反馈的应答信号。如果应答信号为低电平时，表示为有效应答（ACK）；否则为无效应答（NACK）。无应答表示接收失败。如果主控制器在接收到最后一个字节后，发送一个NACK信号通知从设备结束数据发送，并释放SDA线，以便主设备发送一个停止信号。
停止态：
在时钟线保持高电平期间，数据线返回高电平即数据线被释放，称为I2C总线上的停止信号。接收到停止信号后I2C总线进入空闲状态。
读写时序如下所示：
1、写时序：

2、读时序：

在FPGA中，代码结构如下所示：

代码如下：
1、timescale.v代码

`timescale 1ns / 10ps
1

2、i2c_master_defines.v代码

`define I2C_CMD_NOP     4'b0000

`define I2C_CMD_START   4'b0001

`define I2C_CMD_STOP    4'b0010

`define I2C_CMD_WRITE   4'b0100

`define I2C_CMD_READ    4'b1000
1
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9

3、i2c_master_bit_ctrl.v代码

`include "timescale.v"

`include "i2c_master_defines.v"
//位控制部分
//发送简单命令到SCL/SDA转换器
//每个命令有5个状态，A/B/C/D/idle。
module i2c_master_bit_ctrl(
 input   clk,        //系统时钟
 input   rst,        //同步使能高复位
 input   nReset,     //异步使能低复位
 input   ena,        //内核使能信号

 input[15:0] clk_cnt,    //时钟预分频值
	input[3:0]   cmd,       //从控制器来的命令
	output reg  cmd_ack,    //应答命令
	output reg  busy,       //i2c总线忙
	output reg  a1,         //i2c总线仲裁丢失

	input   din,            //数据输入
	output  reg dout,       //数据输出

 input   scl_i,          //i2c时钟线输入
	output  scl_o,          //i2c时钟线输出
	output  reg scl_oen,    //i2c时钟线输出使能（低使能）
	input   sda_i,          //i2c数据线输入
	output  sda_o,          //i2c数据线输出
	output  reg sda_oen     //i2c数据线输出使能（第使能）
);
reg[1:0]    cSCL,cSDA;      //采集SCL,SDA
reg[2:0]    fSCL,fSDA;      //SCL,SDA滤波器输入
reg     sSCL,sSDA;          //滤波和同步后的SCL,SDA输入
reg     dSCL,dSDA;          //延时变化后的dSCL,dSDA
reg     dscl_oen;           //延时变化后的时钟使能信号
reg     sda_chk;            //检查SDA输出（多主机仲裁）
reg     clk_en;             //时钟产生信号
reg     slave_wait;         //从设备就绪等待
reg[15:0]   cnt;            //时钟分频计数器（同步）
reg[13:0]   filter_cnt;     //滤波器时钟分频
//状态机变量
reg [17:0]  c_state;        //逻辑综合枚举状态
//在从设备没有准备好的时候，通过拉低SCL来达到延时的目的
//延时使能SCL
always @(posedge clk)
	dscl_oen <= #1 scl_oen;
// slave_wait is asserted when master wants to drive SCL high, 
//but the slave pulls it low 
// slave_wait remains asserted until the slave releases SCL
always @(posedge clk or negedge nReset)
 if(!nReset) slave_wait <= 1'b0;
	else        slave_wait <= (scl_oen & ~dscl_oen & ~sSCL) 
| (slave_wait & ~sSCL); 
//主设备SCL为高，但另一个主设备为低
//主设备开始倒计时（进行时钟同步）
wire    scl_sync = dSCL & ~sSCL & scl_oen;
//产生时钟使能信号  
always @(posedge clk or negedge nReset)
 if(~nReset)
   	 begin
       	 	cnt <= #1 16'h0;
       	 	clk_en <= 1'b1;
    	end
	else if(rst || ~|cnt || !ena || scl_sync)
    	begin
        	cnt <= #1 clk_cnt;
        	clk_en <= #1 1'b1;
    	end
	else if(slave_wait)
    	begin
        	cnt <= #1 cnt;
        	clk_en <= #1 1'b0;
    	end
	else
    	begin
        	cnt <= #1 cnt - 16'h1;
        	clk_en <= #1 1'b0;
    	end
//信号采集 
//降低亚稳态风险 
always @(posedge clk or negedge nReset)
 if(!nReset)
   		 begin
        		cSCL <= #1 2'b00;
       		 cSDA <= #1 2'b00;
   		 end 
	else if(rst)
    begin
        cSCL <= #1 2'b00;
        cSDA <= #1 2'b00;
    end
else
    begin
        cSCL <= {cSCL[0],scl_i};
        cSDA <= {cSDA[0],sda_i};
    end
//滤波SCL和SDA信号，（尝试）排除故障
always @(posedge clk or negedge nReset)
	 if(!nReset) filter_cnt <= 14'h0;
	else if(rst||!ena)  filter_cnt <= 14'h0;
	else if(~|filter_cnt) filter_cnt <= clk_cnt >> 2;
	else    filter_cnt <= filter_cnt - 1;
//滤波，filter_cnt频率是fSCLK频率的四倍
always @(posedge clk or negedge nReset)
	if(!nReset)
    		begin
        		fSCL <= 3'b111;
        		fSDA <= 3'b111; 
   		 en
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