• verilog实现I2C控制器 (小梅哥思路)----详细解析


    i2c_bit_shift

    模块框图如下所示
    在这里插入图片描述
    输入输出信号:
    在这里插入图片描述
    整体的思路如下:
    通过输入的命令组合,完成一次8字节数据的传输。定义了6种命令,

    WR写数据请求 (6’b000_001)
    STA起始位请求(6’b000_010)
    RD读数据请求(6’b000_100)
    STO停止位请求(6’b001_000)
    ACK应答位请求(6’b010_000)
    NACK无应答请求(6‘b100_000)

    采用了状态机里面套用序列机的思路,在每个状态里面分为四步完成一位数据的传输,使用计数器来控制。定义的状态如下(独热码编码):

    statediscription
    IDLE空闲状态
    GEN_STA产生起始信号
    WR_DATA写数据状态
    RD_DATA读数据状态
    CHECK_ACK检测应答信号
    GEN_ACK产生应答信号
    GNE_STO产生停止信号

    状态机转换如下所示:
    在这里插入图片描述

    代码如下所示,有很清晰的注释:

    module i2c_bit_shift (
        input   wire            clk         ,
        input   wire            rst_n       ,
        input   wire    [5:0]   cmd         ,       //控制总线实现各种传输的各种命令组合
        input   wire            go          ,       //整个模块的启动信号
        input   wire    [7:0]   Tx_Data     ,       //总线要发送的8位数据
    
        output  reg             i2c_sclk    ,       //i2c时钟总线
        inout   wire            i2c_sdat    ,       //i2c数据总线
        output  reg             Trans_Done  ,       //传输完成信号
        output  reg     [7:0]   Rx_Data     ,       //总线要接收的8位数据
        output  reg             ack_o               //从机时候应答标志
    );                                          
    
        localparam      IDLE        =       7'b0000_001,     //空闲状态
                        GEN_STA     =       7'b0000_010,     //产生起始信号
                        WR_DATA     =       7'b0000_100,     //写数据状态
                        RD_DATA     =       7'b0001_000,     //读数据状态
                        CHECK_ACK   =       7'b0010_000,     //检测应答信号
                        GEN_ACK     =       7'b0100_000,     //产生应答信号
                        GNE_STO     =       7'b1000_000;     //产生停止信号
    
        localparam      WR          =       6'b000_001,      //写数据请求
                        STA         =       6'b000_010,      //起始位请求
                        RD          =       6'b000_100,      //读数据请求
                        STO         =       6'b001_000,      //停止位请求 
                        ACK         =       6'b010_000,      //应答位请求
                        NACK        =       6'b100_000;      //无应答请求
        
    
        parameter       SYS_CLOCK   =       50_000_000;      //系统采用50MHz时钟
        parameter       SCL_CLOCK   =       400_000   ;      //SCL总线时钟采用400khz
        localparam      SCL_CNT_M   =       SYS_CLOCK / SCL_CLOCK / 4 - 1;  //产生时钟SCL计数器最大值
    
        
        reg                 en_div_cnt      ;               //计数器使能信号
        reg                 i2c_sda_oe      ;               //三态门使能信号,1:输出,0:输入
        reg     [6:0]       state           ;               //状态机的状态变量
        reg     [5:0]       cnt             ;               //计数器
        reg                 i2c_sdat_o      ;               //输出的i2c_sdat_o
        reg     [19:0]      div_cnt         ;               //分频信号
    
        wire    sclk_plus = (div_cnt == SCL_CNT_M);         //dic_cnt计数到最大值产生一个高脉冲
    
        //reset为低时,若干信号的初始化
        always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
            if(!rst_n) begin
                en_div_cnt <= 1'b0;
                i2c_sda_oe <= 1'b1;
                state <= IDLE;
                cnt <= 0;
                i2c_sdat_o <= 1'b0;
                i2c_sclk <= 1'b1;
                Rx_Data <= 8'd0;
            end
        end
        //一段式状态机
        always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
            case(state)
                IDLE:   begin
                            Trans_Done <= 1'b0;
                            i2c_sda_oe <= 1'b1;
                            if(go) begin                            //整个模块的启动信号go
                                en_div_cnt <= 1'b1;                 //使能div_cnt计数器,跳转的状态都需要这个计数器
                                if(cmd & STA )                      //起始命令
                                    state <= GEN_STA;               //跳转到起始状态
                                else if(cmd & WR)                   //写命令
                                    state <= WR_DATA;               //跳转到写数据状态
                                else if(cmd & RD)                   //读命令
                                    state <= RD_DATA;               //跳转到读数据状态
                                else 
                                    state <= IDLE;                  //都不满足则跳转到IDLE状态
                            end
                            else begin
                                en_div_cnt <= 1'b0;                 //模块未启动
                                state <= IDLE;                      //跳转到IDLE状态,且不使能div_cnt计数器
                            end
                        end
                GEN_STA:begin                                       //i2c_sclk为高电平时,i2c_sda从高电平变成低电平产生起始位
                            if(sclk_plus) begin                     //只有在sclk_plus产生高脉冲的时候,div_cnt计数到最大值
                                if(cnt == 3)                        //cnt计数到3,归0
                                    cnt <= 0;
                                else 
                                    cnt <= cnt + 1'b1;              //否则计数器自增1
                                case(cnt)                                                   //分四步
                                    0:begin i2c_sdat_o <= 1'b1; i2c_sda_oe <= 1'b1; end     //cnt为0时,i2c_sdat_o拉高,三态门输出
                                    1:begin i2c_sclk <= 1'b1; end                           //cnt为1时,拉高i2c_sclk
                                    2:begin i2c_sdat_o <= 0; i2c_sclk <= 1; end             //cnt为2时,继续拉高i2c_sclk,拉低i2c_sdat_o
                                    3:begin i2c_sclk <= 0; end                              //cnt为3时,拉低i2c_sclk
                                    default: begin i2c_sdat_o <= 1'b1; i2c_sclk <= 1'b1; end
                                endcase
    
                                if(cnt == 3) begin
                                    if(cmd & WR)
                                        state <= WR_DATA;           //跳转到写数据状态
                                    else if(cmd & RD)
                                        state <= RD_DATA;           //跳转到读数据状态
                                end
                            end
                        end
                WR_DATA:begin                                       //写数据时,只有在sclk为低电平的时候,sda才可以变化
                            if(sclk_plus) begin                     //8位数据,每位数据分4步,故cnt计数器计数到31
                                if(cnt == 31)
                                    cnt <= 0;
                                else 
                                    cnt <= cnt + 1'b1;
                                case(cnt)
                                    0,4,8,12,16,20,24,28:                           
                                        begin           
                                            i2c_sdat_o <= Tx_Data[7-cnt[4:2]];      //在GNE_STA状态时,i2c_sclk拉低了,所以此时把Tx_data一位传给i2s_sdat_o
                                            i2c_sda_oe <= 1'b1;                     //三态门输出使能
                                        end
                                    1,5,9,13,17,21,25,29:
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b1;                       //sclk posedge 拉高i2c_sclk
                                        end
                                    2,6,10,14,18,22,26,30:
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b1;                       //sclk keep high 继续拉高i2c_sclk
                                        end
                                    3,7,11,15,19,23,27,31:
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b0;                       //sclk negedge 拉低i2c_sclk,以便在下次传输Tx_Data的一位
                                        end
                                    default: begin i2c_sdat_o <= 1; i2c_sclk <= 1; end
                                endcase
    
                                if(cnt == 31) begin
                                    state <= CHECK_ACK;                             //Tx_Data的8位写完之后,跳转到检查应答位状态
                                end
                                
                            end
                        end
                CHECK_ACK:begin
                            if(sclk_plus) begin
                                if(cnt == 3)
                                    cnt <= 0;
                                else
                                    cnt <= cnt + 1;
                                
                                case(cnt)                                                           //应答位的检查依然分四步完成,使用计数器cnt来控制
                                    0:  begin i2c_sda_oe <= 1'b0; i2c_sclk <= 1'b0; end             //拉低i2c_sclk信号,并且设置三态门为输入
                                    1:  begin i2c_sclk <= 1; end                                    //拉高i2c_sclk
                                    2:  begin ack_o <= i2c_sdat; i2c_sclk <= 1; end                 //拉高i2c_sclk,并且把i2c_sdat赋值给ack_o,
                                    3:  begin i2c_sclk <= 0; end                                    //拉低i2c_sclk
                                    default:    begin   i2c_sdat_o <= 1'b1; i2c_sclk <= 1'b1; end   //上面连续两次拉高i2c_sclk是为了占空比为50%的i2c_sclk时钟
                                endcase
    
                                if(cnt == 3) begin
                                    if(cmd & STO)
                                        state <= GNE_STO;                                           //跳转到产生停止位状态
                                    else begin
                                        state <= IDLE;
                                        Trans_Done <= 1'b1;                                         //一次传输完成
                                    end     
                                end
                            end
    
                          end
                GNE_STO :   begin                                                                   //在i2c_sclk为高电平,i2c_sda从低到高则为停止信号
                                if(sclk_plus) begin                                                 //与产生起始信号类似
                                    if(cnt == 3)
                                        cnt <= 0;
                                    else
                                        cnt <= cnt + 1'b1;
                                    
                                    case(cnt)
                                        0:  begin i2c_sdat_o <= 1'b0; i2c_sda_oe <= 1'b1; end       //三态门输出, i2c_sda拉低
                                        1:  begin i2c_sclk <= 1'b1; end                             //拉高i2c_sclk
                                        2:  begin i2c_sdat_o <= 1'b1; i2c_sclk <= 1'b1; end         //拉高i2c_sda,i2c_sclk
                                        3:  begin i2c_sclk <= 1'b1; end
                                        default: begin i2c_sdat_o <= 1'b1; i2c_sclk <= 1'b1; end
                                    endcase
    
                                    if(cnt == 3) begin
                                        Trans_Done <= 1'b1;                                         //传输完成
                                        state <= IDLE;  
                                    end
                                end
                            end
                
                RD_DATA:    begin                                                                   //取数据
                                if(sclk_plus) begin
                                    if(cnt == 31)
                                        cnt <= 0;
                                    else
                                        cnt <= cnt + 1'b1;                                          //8位,每位分4步完成
                                    
                                    case(cnt)
                                    0,4,8,12,16,20,24,28:
                                        begin
                                            i2c_sda_oe <= 1'b0;
                                            i2c_sclk <= 0;                          //set data,拉低i2c_sclk,三态门设置为输入
                                        end
                                    1,5,9,13,17,21,25,29:
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b1;                       //sclk posedge, 拉高i2c_scclk
                                        end
                                    2,6,10,14,18,22,26,30:
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b1;                       //sclk keep high 利用移位的方法来存储,技巧需掌握
                                            Rx_Data <= {Rx_Data[6:0], i2c_sdat};
                                        end
                                    3,7,11,15,19,23,27,31:                          //sclk negedge
                                        begin
                                            i2c_sclk <= 1'b0;
                                        end
                                    default: begin i2c_sdat_o <= 1; i2c_sclk <= 1; end
                                    endcase
    
                                    if(cnt == 31) begin
                                        state <= GEN_ACK;
                                    end
                                end
                            end
                GEN_ACK:    begin                                                   //产生应答信号
                                if(sclk_plus) begin                                 //分四步完成
                                    if(cnt == 3)
                                        cnt <= 0;
                                    else
                                        cnt <= cnt + 1'b1;
                                    
                                    case(cnt)
                                        0:  begin   
                                                i2c_sda_oe <= 1'b1;                 //三态门输出
                                                i2c_sclk <= 1'b0;                   //拉低i2c_sclk
                                                if(cmd & ACK)                       //产生ACK,输出0
                                                    i2c_sdat_o <= 1'b0;
                                                else if(cmd & NACK)                 //产生NOACK,输出1
                                                    i2c_sdat_o <= 1'b1;
                                            end
                                        1:  begin i2c_sclk <= 1'b1; end
                                        2:  begin i2c_sclk <= 1'b1; end
                                        3:  begin i2c_sclk <= 1'b0; end
                                        default:    begin i2c_sdat_o <= 1; i2c_sclk <= 1; end
                                        
                                    endcase
    
                                    if(cnt == 3) begin
                                        if(cmd & STO)
                                            state <= GNE_STO;                       //跳转到产生停止位状态
                                        else begin
                                            state <= IDLE;
                                            Trans_Done <= 1'b1;                     //传输完成
                                        end
                                    end
                                end
                            end
                default:    begin 
                                i2c_sclk <= 1'b1;
                                Trans_Done <= 1'b0;
                                i2c_sdat_o <= 1'b0;
                                i2c_sda_oe <= 1'b1;
                                cnt <= 0;
                            end
            endcase
        end 
        
        //在en_div_cnt使能,div_cnt开始奇数,计数大最大值循环计数
        always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
            if(!rst_n)
                div_cnt <= 20'd0;
            else if(en_div_cnt) begin
                if(div_cnt < SCL_CNT_M)
                    div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
                else
                    div_cnt <= 0;
            end
            else
                div_cnt <= 20'd0;
        end
    
        assign i2c_sdat = !i2c_sdat_o && i2c_sda_oe ? 1'b0 : 1'bz;              //三态门设置
    
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    测试的tb文件如下所示,分别向0x0A,0x0B,0x0C,0x0D,0X0F,写入1,2,3,4,5。然后再把它们读出来。

    `timescale 1ns/1ns
    module i2c_bit_shift_tb;
    
    	reg Clk;
    	reg Rst_n;
    	
    	reg [5:0]Cmd;
    	reg Go;
    	wire [7:0]Rx_DATA;
    	reg [7:0]Tx_DATA;
    	wire  Trans_Done;
    	wire  ack_o;
    	wire i2c_sclk;
    	wire i2c_sdat;
    	
    	pullup PUP (i2c_sdat);
    	
    	localparam 
    		WR =  6'b000001,	// 写请求
    		STA = 6'b000010,	//起始位请求
    		RD =  6'b000100,	//读请求
    		STO = 6'b001000,	//停止位请求
    		ACK = 6'b010000,	//应答位请求
    		NACK = 6'b100000;	//无应答请求
    
    /*
    	i2c_bit_shift i2c_bit_shift(
    		.Clk(Clk),
    		.Rst_n(Rst_n),
    		.Cmd(Cmd),
    		.Go(Go),
    		.Rx_DATA(Rx_DATA),
    		.Tx_DATA(Tx_DATA),
    		.Trans_Done(Trans_Done),
    		.ack_o(ack_o),
    		.i2c_sclk(i2c_sclk),
    		.i2c_sdat(i2c_sdat)
    	);
    */
    	i2c_bit_shift i2c_bit_shift(
    		.clk(Clk),
    		.rst_n(Rst_n),
    		.cmd(Cmd),
    		.go(Go),
    		.Rx_Data(Rx_DATA),
    		.Tx_Data(Tx_DATA),
    		.Trans_Done(Trans_Done),
    		.ack_o(ack_o),
    		.i2c_sclk(i2c_sclk),
    		.i2c_sdat(i2c_sdat)
    	);
    
    	M24LC04B M24LC04B(
    		.A0(0), 
    		.A1(0), 
    		.A2(0), 
    		.WP(0), 
    		.SDA(i2c_sdat), 
    		.SCL(i2c_sclk), 
    		.RESET(~Rst_n)
    	);
    	
    	initial Clk = 1;
    	always #10 Clk = ~Clk;
    	
    	initial begin
    		Rst_n = 0;
    		Cmd = 0;
    		Go = 0;
    		Tx_DATA = 0;
    		#2001;
    		Rst_n = 1;
    		#2000;
    		
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0A,8'hd1);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0B,8'hd2);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0C,8'hd3);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0D,8'hd4);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0F,8'hd5);
    		//#20000;
    		
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0A);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0B);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0C);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0D);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0F);
    		//#20000;
    		$stop;	
    	end
    	
    	task write_one_byte;
    		input [7:0]device_id;						//器件地址
    		input [7:0]mem_address; 					//寄存器地址
    		input [7:0]data;							//需要写的数据
    		begin
    			Cmd = WR | STA;							//写入产生起始位和写数据命令
    			Go = 1;									//启动整个模块
    			Tx_DATA = device_id;					//把器件地址赋值给Tx_Data
    			#20;		
    			Go = 0;									//延迟一个时钟周期拉低go信号
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);					//等待此次传输数据完成
    			#20;
    			//#20000;
    			
    			Cmd = WR;								//传入写数据命令
    			Go = 1;									//启动整个模块
    			Tx_DATA = mem_address;					//把寄存器地址赋值给Tx_Data
    			#20;
    			Go = 0;									//延迟一个时钟周期拉低go信号
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);					//等待此次数据传输完成
    			//#20000;
    			#20
    		
    			Cmd = WR | STO;							//传入写数据和产生停止位的命令
    			Go = 1;									//启动整个模块
    			Tx_DATA = data;							//把需要写入的数据赋值给Tx_Data
    			#20;
    			Go = 0;									//延迟一个时钟周期拉低go信号
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);					//等待此次传输数据完成
    			#20000;	
    		end
    	endtask
    	
    	task read_one_byte;
    		input [7:0]device_id;						//传入器件地址
    		input [7:0]mem_address;						//传入寄存器地址
    		begin
    			Cmd = WR | STA;							//传入写数据和产生开始位的命令
    			Go = 1;									//启动整个模块
    			Tx_DATA = device_id;					//把器件地址赋值给Tx_Data
    			#20;
    			Go = 0;									//延迟一个时钟周期拉低go信号
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);					//等待此次传输数据完成
    			#20000;
    		
    			Cmd = WR | STO;
    			Go = 1;
    			Tx_DATA = mem_address;
    			#20;
    			Go = 0;
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);
    			//#20000;
    			#20;
    			
    			Cmd = WR | STA;
    			Go = 1;
    			Tx_DATA = device_id | 8'd1;
    			#20;
    			Go = 0;
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);
    			//#20000;
    			#20;
    			
    			Cmd = RD | NACK | STO;
    			Go = 1;
    			#20;
    			Go = 0;
    			#200;
    			@(posedge Trans_Done);
    			//#20000;
    			#20;			
    		end
    	endtask
    	
    	
    
    endmodule
    
    
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    仿真波形如下所示,可知成功读出了数据:
    在这里插入图片描述

    I2C 控制模块

    由于i2c_bit_shift模块只可以发送一个字节的数据,而一次写输入或者时读输出需要写入好几个字节。因此可以为写输入和输入分别分配若干个写字节的任务,两者均是从IDLE状态开始。但是这些任务时是顺序的,必须等待前一个任务完成,此时我们的Trans_done信号就派上用场了。故可以使用状态机来设计。
    对于一次写:
    在这里插入图片描述
    对于一次读:
    在这里插入图片描述
    有如下的状态(采取独热码编码):

    IDLE空闲状态
    WR_REG写状态
    WAIT_WR_DONE等待写完成状态
    WR_REG_DONE写完成状态
    RD_REG读状态
    WAIT_RD_DONE等待读完成状态
    RD_REG_DONE读完成状态

    状态转换图:
    在这里插入图片描述

    控制模块的代码如下(代码中有很详细的注释),便不多解释

    
    module i2c_ctrl(
        input   wire            clk         ,               //时钟信号
        input   wire            rst_n       ,               //复位信号
        input   wire            wrreg_req   ,               //写请求信号
        input   wire            rdreg_req   ,               //读请求信号
        input   wire    [15:0]  addr        ,               //16位地址输入       
        input   wire            addr_mode   ,               //输入地址的模式,0:8位的地址 1:16位的地址
        input   wire    [7:0]   wrdata      ,               //总线发送的8位数据
        output  reg     [7:0]   rddata      ,               //总线接收的8位数据
        input   wire    [7:0]   device_id   ,               //i2c器件的ID
        output  reg             RW_Done     ,               //读/写完成的标志
        output  reg             ack         ,               //从机是否应答标志
        output  wire            i2c_sclk    ,               //i2c时钟总线
        inout   wire            i2c_sdat  
    );
    
    
    localparam  IDLE        =       7'b0000_001,            //空闲状态
                WR_REG      =       7'b0000_010,            //写状态
                WAIT_WR_DONE=       7'b0000_100,            //等待写完成状态
                WR_REG_DONE =       7'b0001_000,            //写完成状态
                RD_REG      =       7'b0010_000,            //读状态
                WAIT_RD_DONE=       7'b0100_000,            //等待读完成状态
                RD_REG_DONE =       7'b1000_000;            //读完成状态
    
    localparam  WR          =       6'b000_001,             //写数据请求
                STA         =       6'b000_010,             //起始位请求
                RD          =       6'b000_100,             //读数据请求
                STO         =       6'b001_000,             //停止位请求 
                ACK         =       6'b010_000,             //应答位请求
                NACK        =       6'b100_000;             //无应答请求
    
                                           
    
    reg     [5:0]   cmd         ;
    reg     [7:0]   Tx_Data     ;
    reg             go          ;
    reg     [6:0]   state       ;
    reg     [7:0]   cnt         ;
    //reg     [15:0]  reg_addr    ;
    
    wire            Trans_Done  ;
    wire            ack_o       ;
    wire    [7:0]   Rx_Data     ;
    wire    [15:0]  reg_addr    ;
    
    i2c_bit_shift i2c_bit_shift (
        .clk        (clk) ,
        .rst_n      (rst_n) ,
        .cmd        (cmd) ,  
        .go         (go) ,  
        .Tx_Data    (Tx_Data) ,  
    
        .i2c_sclk   (i2c_sclk) ,  
        .i2c_sdat   (i2c_sdat) ,  
        .Trans_Done (Trans_Done) ,  
        .Rx_Data    (Rx_Data) ,  
        .ack_o      (ack_o)    
    );  
    assign reg_addr = (addr_mode) ? addr : {addr[7:0], addr[15:8]};
        
        always @(posedge clk or negedge rst_n)
            if(!rst_n) begin
                cmd <= 6'd0;
                Tx_Data <= 8'd0;
                go <= 1'b0;
                rddata <= 8'd0;
                state <= IDLE;
                ack <= 0;
            end
            else begin
                case(state)
                    RD_REG: begin                                                       //读寄存器状态包括读数据的四个task
                                state <= WAIT_RD_DONE;                                  //跳转等待读完成状态
                                case(cnt)
                                    0:  write_byte(WR | STA, device_id) ;               //产生起始位并写入器件地址
                                    1:  write_byte(WR, reg_addr[15:8])  ;               //写入寄存器地址的高8位
                                    2:  write_byte(WR, reg_addr[7:0]);                  //写入寄存器地址的低8位
                                    3:  write_byte(WR | STA, device_id | 8'd1);         //产生起始位并写入器件地址(最后一位是1,表示读)
                                    4:  read_byte(RD | NACK | STO);                     //读数据并且产生NACK,STOP信号
                                    default:;
                                endcase
                            end
                    WAIT_RD_DONE:begin
                                go <= 1'b0;                                             //拉低go信号
                                if(Trans_Done) begin                                    //等待此次数据传输完成
                                    if(cnt <= 3)
                                        ack <= ack | ack_o;
                                    case(cnt)
                                        0:  begin cnt <= 1; state <= RD_REG; end        //cnt为0时,cnt加1,跳转读寄存器状态
                                        1:  begin
                                                state <= RD_REG;
                                                if(addr_mode)                           //根据地址模式
                                                    cnt <= 2;                           //addr_more为1:16位地址
                                                else
                                                    cnt <= 3;                           //addr_mode位0,8位地址
                                            end
                                        2:  begin
                                                cnt <= 3;
                                                state <= RD_REG;
                                            end
                                        3:  begin
                                                cnt <= 4;
                                                state <= RD_REG;
                                            end
                                        4:  state <= RD_REG_DONE;                       //cnt为4时,跳转到读完成状态                   
                                        default:    state <= IDLE;
                                    endcase
                                end
                            end
                    RD_REG_DONE:begin
                                RW_Done <= 1'b1;                                        //拉高读写完成信号
                                rddata <= Rx_Data;                                      //把读出的数据Rx_Data赋值给rddata
                                state <= IDLE;                                          //跳转到IDLE状态
                            end
    
                    WR_REG: begin
                                state <= WAIT_WR_DONE;                                  //跳转到等待写完成状态
                                case(cnt)
                                    0:  write_byte(WR | STA, device_id);                //产生起始位并写入器件地址
                                    1:  write_byte(WR, reg_addr[15:8]);                 //写入寄存器地址的高8位
                                    2:  write_byte(WR, reg_addr[7:0]);                  //写入寄存器地址的低8位
                                    3:  write_byte(WR | STO, wrdata);                   //写入数据并且产生停止位
                                    default:;
                                endcase
                            end
    
                    WAIT_WR_DONE:begin
                                    go <= 1'b0;                                         //拉低go信号
                                    if(Trans_Done) begin                                //等待此次传输数据完成
                                        ack <= ack | ack_o;
                                        case(cnt)
                                            0:  begin cnt <= 1; state <= WR_REG; end    //cnt为0时,跳转写寄存器状态
                                            1:  begin
                                                    state <= WR_REG;                    
                                                    if(addr_mode)                       //不同的地址模式
                                                        cnt <= 2;                       //决定时写入16位还是8位
                                                    else
                                                        cnt <= 3;
                                                end
                                            2:  begin
                                                    cnt <= 3;
                                                    state <= WR_REG;
                                                end
                                            3:  state <= WR_REG_DONE;                   //cnt为3时,跳转写完成状态
                                            default: state <= IDLE;
                                        endcase
                                    end
                                end
    
                    WR_REG_DONE:begin
                                    RW_Done <= 1'b1;                                    //拉高读写完成信号
                                    state <= IDLE;                                      //跳转到IDLE状态
                                end
                    IDLE:       begin
                                    cnt <= 0;
                                    ack <= 0;
                                    RW_Done <= 1'b0;
                                    if(wrreg_req)                           //写请求则进入写寄存器状态
                                        state <= WR_REG;
                                    else if(rdreg_req)                      //读请求则进入读寄存器状态
                                        state <= RD_REG;
                                    else
                                        state <= IDLE;
                                end
                    default:    state <= IDLE;
                endcase
    end     
    
    
    //读一个字节的任务
    task read_byte;
        input   [5:0]   ctrl_cmd        ;           //传入命令
        begin                       
            cmd <= ctrl_cmd             ;           //将传入的命令赋值给cmd
            go <= 1'b1                  ;           //启动整个模块
        end
    endtask
    
    //写一个字节的任务
    task write_byte;
        input   [5:0]   ctrl_cmd        ;           //传入命令
        input   [7:0]   wr_byte_data    ;           //传入要写入的8位字节数据
        begin
            cmd <= ctrl_cmd             ;           //将传入的命令赋值给cmd
            Tx_Data <= wr_byte_data     ;           //将传入的8位字节数据赋值给Tx_Data
            go <= 1'b1                  ;           //启动整个模块
        end    
    endtask
    
    endmodule
    
    
    
    
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    仿真的tb文件:

    `timescale 1ns/1ns
    module i2c_control_tb;
    
    	reg Clk;
    	reg Rst_n;
    	
    	reg wrreg_req;
    	reg rdreg_req;
    	reg [15:0]addr;
    	reg addr_mode;
    	reg [7:0]wrdata;
    	wire [7:0]rddata;
    	reg [7:0]device_id;
    	wire RW_Done;
    	
    	wire  ack;
    	wire i2c_sclk;
    	wire i2c_sdat;
    	
    	pullup PUP (i2c_sdat);
    	
    	i2c_ctrl i2c_control(
    		.clk(Clk),
    		.rst_n(Rst_n),
    		.wrreg_req(wrreg_req),
    		.rdreg_req(rdreg_req),
    		.addr(addr),
    		.addr_mode(addr_mode),
    		.wrdata(wrdata),
    		.rddata(rddata),
    		.device_id(device_id),
    		.RW_Done(RW_Done),
    		.ack(ack),		
    		.i2c_sclk(i2c_sclk),
    		.i2c_sdat(i2c_sdat)
    	);
    	/*
    	i2c_control i2c_control(
    		.Clk(Clk),
    		.Rst_n(Rst_n),
    		.wrreg_req(wrreg_req),
    		.rdreg_req(rdreg_req),
    		.addr(addr),
    		.addr_mode(addr_mode),
    		.wrdata(wrdata),
    		.rddata(rddata),
    		.device_id(device_id),
    		.RW_Done(RW_Done),
    		.ack(ack),		
    		.i2c_sclk(i2c_sclk),
    		.i2c_sdat(i2c_sdat)
    	);
    	*/
    
    
    	M24LC64 M24LC64(
    		.A0(0), 
    		.A1(0), 
    		.A2(0), 
    		.WP(0), 
    		.SDA(i2c_sdat), 
    		.SCL(i2c_sclk), 
    		.RESET(~Rst_n)
    	);
    	
    	initial Clk = 1;
    	always #10 Clk = ~Clk;
    	
    	initial begin
    		Rst_n = 0;
    		rdreg_req = 0;
    		wrreg_req = 0;
    		#2001;
    		Rst_n = 1;
    		#2000;
    		
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0A,8'hd1);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0B,8'hd2);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0C,8'hd3);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0D,8'hd4);
    		//#20000;
    		write_one_byte(8'hA0,8'h0F,8'hd5);
    		//#20000;
    		
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0A);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0B);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0C);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0D);
    		//#20000;
    		read_one_byte(8'hA0,8'h0F);
    		//#20000;
    		$stop;	
    	end
    	
    	task write_one_byte;
    		input [7:0]id;
    		input [7:0]mem_address; 
    		input [7:0]data;
    		begin
    			addr = {8'd0,mem_address};
    			device_id = id;
    			addr_mode = 1;
    			wrdata = data;
    			wrreg_req = 1;
    			#20;
    			wrreg_req = 0;
    			@(posedge RW_Done);
    			#20000;	
    		end
    	endtask
    	
    	task read_one_byte;
    		input [7:0]id;
    		input [7:0]mem_address;
    		begin
    			addr = {8'd0,mem_address};
    			device_id = id;
    			addr_mode = 1;
    			rdreg_req = 1;
    			#20;
    			rdreg_req = 0;
    			@(posedge RW_Done);
    			#20000;			
    		end
    	endtask
    	
    	
    
    endmodule
    
    
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    从仿真波形图可以看出,成功的读写了数据。

    在这里插入图片描述

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_45614076/article/details/126545998