零基礎(chǔ)學(xué)FPGA（十）初入江湖之i2c通信

　　相信學(xué)過(guò)單片機(jī)的同學(xué)對(duì)I2C總線都不陌生吧，今天我們來(lái)學(xué)習(xí)怎么用verilog語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)它，并在FPGA學(xué)習(xí)版上顯示。

　　i2c總線在近年來(lái)微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型的總線標(biāo)準(zhǔn)，他是同步通信的一種特殊方式，具有接口少，控制簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可以有多個(gè)i2c總線器件同時(shí)接到i2c總線上，所有與i2c兼容的器件都有標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過(guò)地址來(lái)識(shí)別通信對(duì)象，使他們可以經(jīng)由i2c總線互相直接通信。

　　i2c總線由兩條線控制，一條時(shí)鐘線SCL，一條數(shù)據(jù)線SDA，這里以E2PROM芯片AT24C08來(lái)介紹i2c通信方式。這是我學(xué)習(xí)版上的E2PROM芯片

　　下面是AT24系列芯片的器件地址說(shuō)明

　　前四位是已經(jīng)默認(rèn)的地址，接下來(lái)三位是可編程部分，可以自己擬定器件的地址，就像上面的芯片，A0，A1，A2全部接地，所以我的開(kāi)發(fā)板上的E2PROM的地址就為1010_000x，最后一位是讀寫(xiě)標(biāo)志位，若為1，則表示我要從E2PROM里讀數(shù)據(jù)，若為0，則表示我要往里面寫(xiě)數(shù)據(jù)。

　　下面是AT24C08的寫(xiě)時(shí)序

　　想要理解這段時(shí)序，讓我們來(lái)慢慢將它分解來(lái)看,從上到下，從左到右

　　1、SCL

　　由芯片的datasheet我們可以知道芯片的工作頻率范圍，一般是100KHZ到400KHZ，這里我們用100KHZ的工作頻率。因?yàn)槲覀兊?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA芯片是50MHZ的頻率，所以要用到分頻，周期是20ns，所以計(jì)數(shù)500次就是10us，也就是100KHZ了，下面是分頻部分的代碼

　　由芯片的資料可知，在SCL是低電平器件數(shù)據(jù)才可以變化，也就是說(shuō)，只有在SCL在低電平器件才可以向E2PROM里面寫(xiě)數(shù)據(jù)，在SCL高電平期間數(shù)據(jù)穩(wěn)定，所以我們可以從里面讀數(shù)據(jù)，所以我們將SCL的一個(gè)時(shí)鐘周期分為四部分，分別是高電平中間時(shí)刻(用于讀數(shù)據(jù))，下降沿，低電平中間時(shí)刻(用于寫(xiě)數(shù)據(jù))，上升沿。上升沿和下降沿來(lái)控制SCL的時(shí)序。

　　2、START

　　開(kāi)始信號(hào)，在SCL為高電平期間，SDA有一個(gè)從高電平到低電平的跳變，大家可以參考上傳的源代碼，從一上電開(kāi)始，SCL就按照100KHZ的頻率在變化，我們需要控制的只是SDA即可。

　　3、DEVICE-ADDRESS

　　器件地址，當(dāng)開(kāi)始信號(hào)作用后，就可以將器件的地址送人數(shù)據(jù)總線SDA，由于SDA是串行的，所以要一位一位的送，而且要從高位開(kāi)始送，下面是狀態(tài)機(jī)尋器件地址部分代碼，注意地址的最后一位是讀寫(xiě)位，這里要送寫(xiě)地址，即1010_0000;

　　下面我來(lái)解釋一下上圖的代碼為什么這樣寫(xiě)

　　(1)首先在SCL在低電平期間屬于數(shù)據(jù)穩(wěn)定期，我們可以向里面寫(xiě)數(shù)據(jù)。

　　(2)進(jìn)入ADD1狀態(tài)后，sda_num就開(kāi)始計(jì)數(shù)，由于我們用的是非阻塞賦值，所以第一個(gè)時(shí)鐘周期case捕獲的sda_num的值是0而不是1，有些朋友可能不明白這里，總是覺(jué)得case語(yǔ)句上來(lái)不就捕獲了1嘛，在這里給大家講解一下

　　(3)這樣一連送8個(gè)時(shí)鐘周期的器件地址，送完之后sda_num清零，并釋放sda總線，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

　　4、ACK

　　應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)器件地址發(fā)送完畢后，主機(jī)要向從機(jī)要一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，用來(lái)表示從機(jī)已經(jīng)接收到了主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果一段時(shí)間內(nèi)主機(jī)沒(méi)有收到從機(jī)發(fā)來(lái)的應(yīng)答信號(hào)，則主機(jī)默認(rèn)從機(jī)收到的主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。在這里我們利用狀態(tài)機(jī)等待一個(gè)時(shí)鐘周期，作為應(yīng)答等待時(shí)間，并在這個(gè)時(shí)間內(nèi)給db_r寄存器送數(shù)據(jù)地址

　　5、WORD_ADDRESS

　　數(shù)據(jù)地址，當(dāng)找到要往哪個(gè)器件里寫(xiě)數(shù)據(jù)之后，就要開(kāi)始尋址往這個(gè)器件的哪個(gè)地址里寫(xiě)數(shù)據(jù)了，AT24C08的存儲(chǔ)容量為1024x8，也就是可以寫(xiě)1024個(gè)字節(jié)，共有1024個(gè)地址，往哪個(gè)地址里寫(xiě)呢，需要我們自己確定。和上面發(fā)送器件地址一樣，直接將地址數(shù)據(jù)發(fā)送至SDA總線即可。

　　接下來(lái)從機(jī)再給主機(jī)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，如果此時(shí)我們按下鍵1的話那么就會(huì)進(jìn)入寫(xiě)狀態(tài)，然后我們就可以寫(xiě)數(shù)據(jù)了，具體代碼和上面尋址的代碼類似，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線SDA。

　　下面是讀時(shí)序

　　讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序的唯一不同點(diǎn)就是當(dāng)發(fā)送玩數(shù)據(jù)地址后，接收到應(yīng)答信號(hào)后，如果想要執(zhí)行讀命令，那還要進(jìn)行一次開(kāi)始信號(hào)，即START2，然后再發(fā)送一次器件地址，當(dāng)再收到應(yīng)答信號(hào)后就可以從里面讀數(shù)據(jù)了，注意讀數(shù)據(jù)的時(shí)候我們是在scl的高電平期間，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而在寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們是在scl的低電平器件，因?yàn)檫@個(gè)器件數(shù)據(jù)才允許變化，代碼如下

　　還有一點(diǎn)要注意，因?yàn)镾DA是輸入輸出信號(hào)inout，所以為了當(dāng)數(shù)據(jù)線作為輸出或者輸入時(shí)不被干擾，這里定義了一個(gè)變量sda_link，來(lái)控制它，當(dāng)sda作為輸入信號(hào)時(shí)，我們讓它處于高阻態(tài)，當(dāng)sda作為輸出信號(hào)時(shí)，將其賦予sda_r的值

　　下面是生成的RTL視圖

　　下面是狀態(tài)機(jī)的模型

　　下面是板子上實(shí)驗(yàn)