零基礎學(xué)FPGA（十）初入江湖之i2c通信

　　相信學(xué)過(guò)單片機的同學(xué)對I2C總線(xiàn)都不陌生吧，今天我們來(lái)學(xué)習怎么用verilog語(yǔ)言來(lái)實(shí)現它，并在FPGA學(xué)習版上顯示。

　　i2c總線(xiàn)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(xiàn)標準，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(xiàn)器件同時(shí)接到i2c總線(xiàn)上，所有與i2c兼容的器件都有標準的接口，通過(guò)地址來(lái)識別通信對象，使他們可以經(jīng)由i2c總線(xiàn)互相直接通信。

　　i2c總線(xiàn)由兩條線(xiàn)控制，一條時(shí)鐘線(xiàn)SCL，一條數據線(xiàn)SDA，這里以E2PROM芯片AT24C08來(lái)介紹i2c通信方式。這是我學(xué)習版上的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)標志位，若為1，則表示我要從E2PROM里讀數據，若為0，則表示我要往里面寫(xiě)數據。

　　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。因為我們的FPGA芯片是50MHZ的頻率，所以要用到分頻，周期是20ns，所以計數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是低電平器件數據才可以變化，也就是說(shuō)，只有在SCL在低電平器件才可以向E2PROM里面寫(xiě)數據，在SCL高電平期間數據穩定，所以我們可以從里面讀數據，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(用于讀數據)，下降沿，低電平中間時(shí)刻(用于寫(xiě)數據)，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，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，當開(kāi)始信號作用后，就可以將器件的地址送人數據總線(xiàn)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據穩定期，我們可以向里面寫(xiě)數據。

　　(2)進(jìn)入ADD1狀態(tài)后，sda_num就開(kāi)始計數，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(xiàn)，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)

　　4、ACK

　　應答信號，當器件地址發(fā)送完畢后，主機要向從機要一個(gè)應答信號，用來(lái)表示從機已經(jīng)接收到了主機發(fā)送的數據，如果一段時(shí)間內主機沒(méi)有收到從機發(fā)來(lái)的應答信號，則主機默認從機收到的主機發(fā)送的數據。在這里我們利用狀態(tài)機等待一個(gè)時(shí)鐘周期，作為應答等待時(shí)間，并在這個(gè)時(shí)間內給db_r寄存器送數據地址

　　5、WORD_ADDRESS

　　數據地址，當找到要往哪個(gè)器件里寫(xiě)數據之后，就要開(kāi)始尋址往這個(gè)器件的哪個(gè)地址里寫(xiě)數據了，AT24C08的存儲容量為1024x8，也就是可以寫(xiě)1024個(gè)字節，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，直接將地址數據發(fā)送至SDA總線(xiàn)即可。

　　接下來(lái)從機再給主機一個(gè)應答信號，如果此時(shí)我們按下鍵1的話(huà)那么就會(huì )進(jìn)入寫(xiě)狀態(tài)，然后我們就可以寫(xiě)數據了，具體代碼和上面尋址的代碼類(lèi)似，直接將數據發(fā)送到數據總線(xiàn)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)就是當發(fā)送玩數據地址后，接收到應答信號后，如果想要執行讀命令，那還要進(jìn)行一次開(kāi)始信號，即START2，然后再發(fā)送一次器件地址，當再收到應答信號后就可以從里面讀數據了，注意讀數據的時(shí)候我們是在scl的高電平期間，因為這個(gè)時(shí)候數據穩定，而在寫(xiě)數據的時(shí)候，我們是在scl的低電平器件，因為這個(gè)器件數據才允許變化，代碼如下

　　還有一點(diǎn)要注意，因為SDA是輸入輸出信號inout，所以為了當數據線(xiàn)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sda作為輸入信號時(shí)，我們讓它處于高阻態(tài)，當sda作為輸出信號時(shí)，將其賦予sda_r的值

　　下面是生成的RTL視圖

　　下面是狀態(tài)機的模型

　　下面是板子上實(shí)驗