零基础学FPGA（十一）初入江湖之i2c通信

作者：小墨同学

     相信学过单片机的同学对I2C总线都不陌生吧，今天我们来学习怎么用verilog语言来实现它，并在FPGA学习版上显示。

    i2c总线在近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种新型的总线标准，他是同步通信的一种特殊方式，具有接口少，控制简单，器件封装形式小，通信速率高等优点。在主从通信中，可以有多个i2c总线器件同时接到i2c总线上，所有与i2c兼容的器件都有标准的接口，通过地址来识别通信对象，使他们可以经由i2c总线互相直接通信。

   i2c总线由两条线控制，一条时钟线SCL，一条数据线SDA，这里以E2PROM芯片AT24C08来介绍i2c通信方式。这是我学习版上的E2PROM芯片




下面是AT24系列芯片的器件地址说明



前四位是已经默认的地址，接下来三位是可编程部分，可以自己拟定器件的地址，就像上面的芯片，A0，A1，A2全部接地，所以我的开发板上的E2PROM的地址就为1010_000x，最后一位是读写标志位，若为1，则表示我要从E2PROM里读数据，若为0，则表示我要往里面写数据。

下面是AT24C08的写时序



想要理解这段时序，让我们来慢慢将它分解来看,从上到下，从左到右
1、SCL
       由芯片的datasheet我们可以知道芯片的工作频率范围，一般是100KHZ到400KHZ，这里我们用100KHZ的工作频率。因为我们的FPGA芯片是50MHZ的频率，所以要用到分频，周期是20ns，所以计数500次就是10us，也就是100KHZ了，下面是分频部分的代码





       由芯片的资料可知，在SCL是低电平器件数据才可以变化，也就是说，只有在SCL在低电平器件才可以向E2PROM里面写数据，在SCL高电平期间数据稳定，所以我们可以从里面读数据，所以我们将SCL的一个时钟周期分为四部分，分别是高电平中间时刻（用于读数据），下降沿，低电平中间时刻（用于写数据），上升沿。上升沿和下降沿来控制SCL的时序。
2、START
     开始信号，在SCL为高电平期间，SDA有一个从高电平到低电平的跳变，大家可以参考上传的源代码，从一上电开始，SCL就按照100KHZ的频率在变化，我们需要控制的只是SDA即可。
3、DEVICE-ADDRESS
      器件地址，当开始信号作用后，就可以将器件的地址送人数据总线SDA，由于SDA是串行的，所以要一位一位的送，而且要从高位开始送，下面是状态机寻器件地址部分代码，注意地址的最后一位是读写位，这里要送写地址，即1010_0000;



下面我来解释一下上图的代码为什么这样写

（1）首先在SCL在低电平期间属于数据稳定期，我们可以向里面写数据。
（2）进入ADD1状态后，sda_num就开始计数，由于我们用的是非阻塞赋值，所以第一个时钟周期case捕获的sda_num的值是0而不是1，有些朋友可能不明白这里，总是觉得case语句上来不就捕获了1嘛，在这里给大家讲解一下
（3）这样一连送8个时钟周期的器件地址，送完之后sda_num清零，并释放sda总线，进入下一个状态

4、ACK
       应答信号，当器件地址发送完毕后，主机要向从机要一个应答信号，用来表示从机已经接收到了主机发送的数据，如果一段时间内主机没有收到从机发来的应答信号，则主机默认从机收到的主机发送的数据。在这里我们利用状态机等待一个时钟周期，作为应答等待时间，并在这个时间内给db_r寄存器送数据地址

5、WORD_ADDRESS
数据地址，当找到要往哪个器件里写数据之后，就要开始寻址往这个器件的哪个地址里写数据了，AT24C08的存储容量为1024x8，也就是可以写1024个字节，共有1024个地址，往哪个地址里写呢，需要我们自己确定。和上面发送器件地址一样，直接将地址数据发送至SDA总线即可。

        接下来从机再给主机一个应答信号，如果此时我们按下键1的话那么就会进入写状态，然后我们就可以写数据了，具体代码和上面寻址的代码类似，直接将数据发送到数据总线SDA。

        下面是读时序



       读时序和写时序的唯一不同点就是当发送玩数据地址后，接收到应答信号后，如果想要执行读命令，那还要进行一次开始信号，即START2，然后再发送一次器件地址，当再收到应答信号后就可以从里面读数据了，注意读数据的时候我们是在scl的高电平期间，因为这个时候数据稳定，而在写数据的时候，我们是在scl的低电平器件，因为这个器件数据才允许变化，代码如下



还有一点要注意，因为SDA是输入输出信号inout，所以为了当数据线作为输出或者输入时不被干扰，这里定义了一个变量sda_link，来控制它，当sda作为输入信号时，我们让它处于高阻态，当sda作为输出信号时，将其赋予sda_r的值



下面是生成的RTL视图


下面是状态机的模型



下面是板子上实验