基于 FPGA 使用 Verilog 实现 IIC(I2C) 协议回环数据传输

本文内容：本文主要基于一篇外文手册 24AA04/24LC04B 设备，采用 IIC 协议进行数据传输，用 FPGA 模拟从机 24AA04/24LC04B，PC 为主机进行数据传输，深入学习 IIC 协议

一、IIC 原理

1.1 概述

• 根据 24AA04/24LC04B 手册，可以知晓该设备采用 100kHz 或者 400 kHz 的速度进行数据传输，同时有一个 16 字节的缓存器，所以项目中要定义一个 16 字节的缓存器
  
• 同时需要定义两块 256×8 的数据块
  
• 管脚种类：VCC、GND、SCL、SDA
  VCC：电源
  GND：接地
  SCL：时钟线
  SDA：数据传输单总线
• IIC 协议采用同步时钟、半双工的方式运行
  
• 从上图可以看出，用 FPGA 模拟从机时，同步时钟信号由 PC 上位机传输过来
• SDA 数据传输为单总线的方式，当主机发送数据时，SDA 单总线由主机占用，当从机发送数据时，SDA 单总线由从机占用

1.2 写操作

比特写：

• 比特写的方式如下，记住这个图，下面逐段讲解
  
• 首先由主机发送一个 START 信号给从机，让从机知道主机要送数据过来了
• START 信号
  
  当 SCL 为高电平的时候，SDA 从高电平跳变为低电平，则标志着有 START 信号
  从机就进入接收主机发送的数据的状态
• Control Byte 字节
  
  IIC 协议传输数据时，先发送字节的高位，再发送字节的低位，先高后低
  先发送 1010 ，这四个 bit 表示 24AA04/24LC04B 设备地址，固定的
  再发送 xxB0，这三个 bit 前两个无所谓，B0 表示哪一个数据块，0 表示第 0 个 256×8 数据块，1 表示第 1 个 256×8 数据块
• ACK 信号
  
  前面所有的 bit 都是由主机发过来的
  而 ACK 由接收设备发出，现在主机是发送设备，FPGA 为接收设备，所以现在是由 FPGA 发出 ACK 信号
  如果 FPGA 作为发送设备，PC 作为接收设备，那么就由 PC 发出 ACK 信号
  接收设备每接受到一个字节，就要发送一个 ACK 信号，它是低电平
• Word Address 字节
  
  写控制字节后面一定是跟上一个地址字节
  这个字节表示，256×8 数据块的地址，范围为 0——255
• Data 字节
  
  一个 8 bit 的数据，先高后低
• STOP 信号
  
  当 SCL 为高电平的时候，SDA 从低电平跳变为高电平，则标志着有 STOP 信号
  从机就进入空闲状态，没数据接收了

页写：

• 页写过程图：
  
  相比较于比特写，无非就是多增加了几个数据而已，只有当从机发送了 ACK 信号之后，主机再发送 STOP 信号
  这样就完成了页写的操作
  如果写了超过 16 个比特的数据，那么就存储最后发送的 16 个比特到数据块中

1.3 读操作

当前地址读：

• 读控制字节图：
  
  流程：主机先发送一个 START，然后主机再发送一个读控制字节，然后从机发送一个比特数据，然后主机再发送一个 NACK 信号，再发送一个 STOP 信号
  相比较于写控制字节，读控制字节只是 B0 后面的那个 bit 为 1，1 表示读操作，0表示写操作
  256×8 这么大的数据块，发送哪一个比特数据呢？
  比如说：前面写了 n 个字节数据，数据指针最后指向的是 n+1 的地址，现在再读一个字节数据，那么从机发送的数据，就是 n+1 地址的数据，然后指针再指向 n+2，等待下一次操作（上图中应该是 n+1 ）

随机读：

• 随机读结构：
  
  流程：主机先发送一个 START，然后主机再发送一个写控制字节，然后从机发送一个 ACK 信号，主机再发送一个地址字节，从机再发送一个 ACK 信号，主机再发送一个 START 信号，主机再发送一个读控制信号，从机发送一个 ACK，从机发送一个比特数据，主机发送一个 NACK，最后主机发送一个 STOP 信号
  说明：这个过程必须搞清楚，前面两个字节是为了将地址写入 FPGA 中，赋值给地址指针，然后再发送一个读控制读取数据

顺序读：

• 结构图：
  
  和前面随机读的区别就在于，主机接收多个字节后，再发送 NACK 信号，也就顺序接收多个字节了

1.4 总线数据传输时间

• 先来看看图，这表示 START 信号、一个 bit 数据的保持与变化以及 STOP 信号的时长约束
  
  先讲讲每个部分的意义吧，自己再结合下面的表格对上相应的时长
• 7 与 6 的交界处就是一个 START 信号的产生，7 表示 SCL 上升沿来了后，必须保持 7 对应的时长才产生 START 信号，再保持 6 对应时长的低电平
  10 与 12 的交界处就是一个 STOP 信号的产生，10 表示 SCL 上升沿来了后，必须保持 10 对应时长才产生 STOP 信号，再保持 12 对应时长的高电平
  5 与 4 表示 SCL 信号边沿的持续时长
  3 表示 SCL 低电平的保持时长
  2 表示 SCL 高电平保持时长
  8 表示 SDA 电平变化点距离SCL 下降沿的时长
  9 表示 SDA 电平变化点距离 SCL 上升沿的时长
• 上面每个序号所需的时长约束表（不要觉得是英文就头大哈，工作时读的手册大多都是英文的）
  
• 结合上面讲的部分，可以比较详细的知晓其中每一段的意义，再集合表格就知道每一个地方需要大概多大的时长，结合电气标准这里我们用红框内的部分
• 举个例子：7 与 6 的交界处就是一个 START 信号的产生，其中 7 必须 > 600 ns，6 必须 > 600 ns，其它的就不一一例举了

二、项目设计

说明：时间不太充裕，就写这么多了，源码也有些注释，信号的命令也中规中矩，语块分明，也比较容易理解哈

2.1 概述

功能需求：

• 主机可以发送一个或多个 byte 数据，从机能成功缓存，并写入 2×256×8 的数据块中
• 主机发送超过 16 byte 的数据，则只将最后 16 byte 数据写入数据块中
• 主机发送读控制信号后，从机能发送相应长度的数据
• 从机写入数据块中的所有数据，能够在数码管上滚动显示出来

器件需求：

• 硬件：USB 转 IIC 模块
• 软件：USB2I2C_CN.exe 用于 PC 发送 IIC 协议数据给 FPGA

项目工程：https://github.com/zcj-debug/IIC_2_256_8_data_blocks

• 我的 github 有整个工程，自行下载
  

系统设计：

• 模块设计图
  

2.2 状态机

• 这里我采用三段式状态机的方式实现，比较好理解一点
  
• IDLE：从机没有干任何事，空闲状态
• START：从机检测到 SDA 中的 START 信号后，进入 START 状态
• CTRL_BYTE：从机开始接收一个 byte 的控制字节
• ADDRESS_BYTE：控制字节为写控制，则进入接收地址字节状态
• SEND_DATA：控制字节为读控制，则进入发送数据状态
• RECEIVE_DATA：接收完地址字节后进入接收数据状态
• STOP：从机接收到 NACK 或者 STOP 信号后进入 STOP 状态

独热码：

parameter           IDLE            =   7'b000_0001                 ,
                    START           =   7'b000_0010                 ,
                    CTRL_BYTE       =   7'b000_0100                 ,
                    ADDRESS_BYTE    =   7'b000_1000                 ,
                    SEND_DATA       =   7'b001_0000                 ,
                    RECEIVE_DATA    =   7'b010_0000                 ,
                    STOP            =   7'b100_0000                 ;
1
2
3
4
5
6
7

2.3 波形仿真

• 安装了 ModelSim 后，双击 bat 文件即可开始仿真
  
  

2.3 效果演示

• 原始数据：
  17(16 进制表示，10 进制为 23)
  a01b0102030405060708090a0b0c0d0e0f101112131415
  a0为设备地址
  1b为数据块地址
  后面的都是数据
• 当写入数据超过 16 个时，只存入了最后 16 个字节数据，数码管也在滚动显示这 16 个字节数据
• 读数据时，先写入两个字节（一个写控制字节、一个地址字节），然后再输入需要读取的数据长度即可