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紫光同创FPGA入门指导：I2C 读写——紫光盘古系列50K开发板实验教程

2023-4-28 16:17:23

984 FPGA

一、实验目的
实验在 EEPROM 的 8’b0 地址写入 8bit 数据 8’b10101010，按下 KEY2 表示写，再按下
KEY4 触发写开始；按下 KEY3 表示在 8’b0 地址读，再按下 KEY4 触发读开始，将读出的数据
以二进制形式用 LED 灯显示，按下 KEY1 使 LED 恢复为全灭状态。

二、实验原理
1.IIC 协议简介
IIC 是一种两线式串行总线，由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成通信线路，属于半双工通信
方式。所有接到 I2C 总线上的设备的串行数据 SDA 都接到总线的 SDA 上，各设备的时钟线 SCL
接到总线的 SCL 上。

IIC 总线上每一个设备都有唯一地址，通过“唯一地址”进行寻址通信。并且数据传输过程中还必须有应答信号，所以 SDA 数据线是双向的。

传输速率:标准模式下可达 100Kbit/s，快速模式下可达 400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s

2.IIC 时序实现
在空闲状态下，SCL 和 SDA 都为高电平。SCL 输出高电平时SDA 由高到低变化为开始传输标志。SCL 为高电平，SDA 再出现上升沿，表示传输结束

时序要求：

本实验采用 400Kbit/s 的传输速率，所以 SCL 的频率应设置为 400KHz，切占空比为 50%，
即 tHIGH=1250ns，tLOW=1250ns；
为满足上表中的时序要求，设计一 SCL 周期计数器，在计数器上取 4 个位置：

SCL 变化点为 scl_cnt 计数器的“half”处和“full”处；
SDA 变化点为 scl_cnt 计数器的“dsu”处。

3.IIC 读写操作流程
Byte Write：

Device Address Byte

主设备每传输 8bit 数据需释放 SDA，接收来自从设备的 ACK 应答信号。
Byte Write：
开始第一个字节都为从设备的 device ID：

Device Address Byte 的最低位若为“0”表示“写”，若为“1”则表示“读”。
第二个字节是写地址的字节：

第三个字节是写数据的字节。其中 Device Address Byte 的 A2、A1和 A0与硬件连接相关：

因此，开发板上的 EEPROM 的 device ID 为：7’b1010000；

Random Read：

读操作的过程中，先进行 Dummy Write，此部分与写操作类似，不管读或者写，主机首先是要找到从机，然后指明要读或者写的地址。

Dummy Write 之后，主设备再发送一次从设备 Device Address Byte，最低位为“1”表示读，Data Word 表示读取从设备数据。

IIC 的读写操作流程可总结为：

4.IIC 读写操作流程的状态机实现

默认 IDLE 状态，若接收到开始触发信号，则跳转到 Start 状态；

Start 状态下，在计数器计到 full_cycle 跳转到 send_byte 状态；

send_byte 状态下，发送完 8bit 数据时跳转到 s_ack 状态，接收从设备的应答信号；

s_ack 状态下：若为写操作，byte 数未发送完成（ID+ADDR+DATA），则跳转到 send_byte 继续发送下一
byte，若 byte 数已发送完成，则跳转到 stop 状态；若为读操作，Dummy Write 阶段的 byte 数（ID+ADDR）未发送完成则跳转到 send_byte 状态继续发送下一 byte，Dummy Write 阶段的 byte 数（ID+ADDR）发送完成则跳转到 Start 状态再重新发送一次 device ID，第二次发送完成 device ID 后接收 ack 信号，从 s_ack状态跳转到 reve_byte 状态。

reve_byte 状态下，若接收完 8bit 数据则跳转到 rack 状态；

rack 状态下，若需要接收多 byte 数据，为接收完所有 byte 则需要跳转回 reve_byte 状态，若接收完成所有 byte，接收完 ack 应答信号后跳转到 stop 状态；

Stop 状态下，完成 IIC 传输结束标志后跳转到 IDLE 空闲状态；

IIC 读写操作流程的状态机实现，verilog 代码详见参考工程。

4 .实验源码
实验代码主要框架如下：