HNU工训中心：平台 2HDL 语言与验证实验报告_hnu i2c

一、自定 FSM 说明

1、状态描述

State0：睡觉，如果闹钟响则起床吃早餐，否则继续睡觉

State1：吃早餐，吃完去上课

State2：上课，上完课后如果要开会就去开会，否则去自习

State3：自习，自习会后吃午餐

State4：开会，开会完后吃午餐

State5：吃午餐，吃完午餐去睡午觉

State6：睡午觉，睡晚午觉后如果要运动则去运动，否则打游戏

State7：运动，运动完后洗澡

State8：打游戏，打完游戏后洗澡

State9：洗澡，洗完澡后吃晚餐

State10：吃晚餐，吃完晚餐后如果要上晚自习则去上自习，否则看 电影

State11：晚自习，晚自习完后去睡觉

State12：看电影，看完电影后睡觉

2、设计代码说明

首先对模块名进行定义，其中包括输入和输出接口：

 接着对定义的 12状态进行编码：

然后是状态直接根据输入的控制信号来进行状态转移的代码：

 

3、仿真波形说明（截图+文字标注） 

测试文件代码：

如图对于第一天来说，有一个判断语句是 zot==4’b1011 才会执行下 面的语句，即 state11 时。而一开始所有控制信号都为 0，则第一天 的状态过程会是 state0 ->state1 ->state3 ->state5 ->state6 ->state8 ->state9 ->state10 ->state11 ->state0。

在状态到了 state11 的 200ms 后，meet 会为 1，此时会进入 state4。 而在进入 state6 时 sport 控制信号被设置为 1，故会进入 state7， 最后进入 state12 回到 state0。所以第二次的状态过程是 state0 ->state1 ->state2 ->state4 ->state5 ->state6 ->state7 ->state9 ->state10 ->state12 ->state0。

通过仿真查看验证：

可以看到红色框框出的即为第一天的状态转移，绿色框出的是第二天 的状态转移，和上面分析的一致，正确。

二、EEPROM 读写代码设计及仿真  

 1、代码说明

1. 端口

2.状态

每个状态用 8 位 16 进制数表示，对照上面图中 SDA 上数据传输情况， 每一位数据传输都有一个对应的状态，多出了一些等待状态。 

 

3. SCL 同步

时钟的频率很高，读写数据不能以时钟周期为周期进行，设备进行响 应和读写需要的时间远大于时钟周期，因此使用 SCL 同步方式来同 步时序。

SCL 周期是通过时钟周期实现的。 一个 scl 周期是 30 个时钟周期。使用 div_cnt 来记录时钟周期数， 30 个一次循环 

 4.状态更新

5.读写命令的判断 

读写命令是通过端口输入 write_op 和 read_op 确定的，这两个信号 是低电平有效，用了 wr_op 和 rd_op 两个寄存器把输入的 write_op 和 read_op 取反，这样如果有读或写命令，wr_op 或 rd_op 为 1，复 位和操作结束(wr_opover)时都要清零，接下来就用 wr_op 和 rd_op 判断是否读 写了，这里仅仅是把原来低电平有效的信号替换为两个 高电平有效信号。

6.下一状态判断 

Byte Write : START + DEVICE +ACK + ADDR + ACK + DATA + ACK + STOP

Random Read : START + DEVICE + ACK +ADDR + ACK+START + DEVICE + DATA + NO ACK + STO

下一状态的更新是在 scl_tick（每 30 个 clk），上面下划线划出的 部分是相同的，无论读写，一开始的状态更新都是按照上面下划线的 顺 序依次更新状态，这时候的器件地址都是 10100000（write）， 到了 ADDR 的 ACK，即 W_AACK 时会根据 wr_op 和 rd_op 决定接下来进 入怎样的 状态，wr_op 会开始到状态 W_DATA 读数据；rd_op 会到 WAIT_WTICK3，然后继续 START。操作结束后需要等待一个信号 d5ms_over 才能回到 空闲，控制器件工作的频率不要太高。

 

 

 

 7.SCL 同步实现

空闲，等待，操作结束，start 开始等状态下 SCL 都是高电平，因此 不需要 clr_scl 对 SCL 清零。另外 clr_scl 只在 scl_ls（scl 的低电 平开始）处 才置 1，把 scl 清 0，在 15 个 clk 周期的 scl_hs 处,再 把 scl 拉高，就实现了 SCL 周期

8.SDA 实现

代码后半都是 SDA 实现的部分，因为太长所以一段一段分析。

下面的一段是实现 SDA 的控制信号声明，这些信号在对应的状态且 scl 在低电平的中心时置 1，告诉 SDA 该怎么做，i2c_reg 用来暂存 scl 上 的数据，i2c_rlf 是在读写数据时用的，使用的部分在下一段 代码 

 接下来就是根据控制信号进行操作，把对应操作的数据放到 i2c_reg 里，准备向 SDA 线上传输，i2c_rlf 为 1 时 i2creg 会左移一位，因 为 sda 是单位宽的，每次把 i2creg 的最高位送到 sda 上，因此左移 就是一位一位把数据送到 sda 上

接下来是 sda 输出的控制，sda 使能在主机写数据地址，数据时都 是 1，使能为 1 时器件靠 sda 输出 i2creg 的最高位。NOACK 以外的其 他 响应信号，以及读的数据，都是从机发到 sda 线上的，这时主机 的 sda 使能为 0，不可以发出数据

 

 以下是读数据的操作，用 sda_wr 控制，在 scl 高电平的中心（数据 稳定时）往 read_data 里读数据，左移补 sda，就一位一位的用 sda 发的 数据更新了 read_data，这时 sda 是从机在发数据

9.操作结束，等待

最后就是操作结束后的等待时间，d5ms_cnt 用来记时钟周期，记满 了就会把 d5ms_over 置 1，在上面状态转换的部分，最后进入 STOP 状 态等待的就是这个信号，等到了这个信号，I2C 就回到空闲状态 了。 

最后，这个模块里没有 ACK 处理的部分，只是在应该收到 ACK 的时候 从 sda 读信号出来，没有进行判断，或许是交给主机来做的

2、TestBench 代码说明 

TestBench 主要代码如下：

 

根据上面的代码发现，我们可以知道读写命令是通过端口输入 write_op 和 read_op 确定的。所以该程序先写再读，波形应该也是 这样。

3、仿真波形说明（截图+文字标注）

 

SCL 为高时，SDA 为下降沿的时候，设备开始工作。先由主机写入器 件地址，然后写入数据地址，每次写入后从机都会回复一个 ACK 信号 表示收到。其中器件地址是从机 EEPROM 的地址 1010000X，X 为 0 表 示写，1 表示读，一开始写入器件地址时，X 都是 0。进行写操作， 接下来只需要由主机发出数据就可以了，从机发出 ACK 响应回复收 到。

 

进行读操作，重新写一遍器件地址，这次 X 就是 1 了，表示接下来要 读数据了，从机读出数据，主机收到数据以后回复 NOACK 给从机表示 收到数据。

三、实验总结 

通过这次实验，我学会了很多知识点，比如如何自定义状态机， Verilog 的基本语法，如何编写 testbench 测试文件，如何使用 modelsim 软件进行仿真测试。同时对于 I2C 协议有了更深层次的理 解，对于 EEPROM 代码能够详细阐述其含义。这次实验对我的编码能 力也有了极大提升，也能够通过分析状态图来解释状态转移。 这次实验同时也遇到了很多困难，比如对 Verilog 语法不熟悉，以及 对 modelsim 软件的安装存在疑问等，不过通过向老师和同学求助可 以得到解决