详解IIC通信协议以及FPGA实现

爱奔跑的虎子2024-04-20 17:40

一、IIC简介

IIC也称为I2C（Inter-Integrated Circuit）由飞利浦公司（现在的恩智浦半导体）开发，是一种用于短距离数字通信的串行 ，同步 ，半双工通信接口协议；传输在标准模式下可以达到100kbit/s，在快速模式下可以达到400Kbit/s， 在快速模式增强模式下可以达到1Mbit/s，在高速模式下可以达到3.4Mbit/s。

I2C通信协议使用两根线（串行数据线SDA和串行时钟线SCL）进行通信，其中SDA用于传输数据，SCL用于传输时钟信号；支持多主设备和多从设备的通信，通过地址来识别不同的设备，并支持数据的读取和写入操作。

I2C通信协议在很多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用，例如传感器、存储器、显示屏等设备之间的通信；由于其简单的硬件连接和灵活的设备支持，I2C通信协议在许多应用中都具有很好的适用性，通信框图如下：

二、IIC通信协议

由于挂在I2C总线上的设备可以有多个，因此每个挂在I2C总线的设备都有唯一的地址来标识。有些 I2C 器件的器件地址是固定的，而有些 I2C 器件的器件地址由一个固定部分和一个可编程的部分构成，这是因为很可能在一个系统中有几个同样的器件，器件地址的可编程部分能最大数量的使这些器件连接到 I2C 总线上。

2.1 协议层

I2C整体的时序如下图所示：

  1. 空闲状态：在I2C空闲时因为串行时钟线 SCL 和串行数据线SDA 线都接有上拉电阻而处于高电平状态。
  2. 起始信号：传输开始前，主机设备会将SDA拉低（当总线空闲时，SDA 和 SCL 都处于高电平状态），然后所有从机设备就会知道传输即将开始。如果两个 master 设备在同一时刻都希望获得总线的所有权，那么谁先将 SDA 拉低，谁就赢得了总线的控制权。
  3. 传输状态：主机可以向从机写数据或者读数据。
  4. 停止信号：当数据传输完成，主机在SCL为高电平时，拉高SDA线就表示本次传输完成。

为了保证传输过程稳定，I2C总线协议规定：每次传输数据必须为一个字节（即8bit，高位在前）；在串行时钟线 SCL 为低电平状态时，SDA 允许改变传输的数据位（1 为高电平，0 为低电平）。经过 8 个时钟周期后，传输了 8bit 数据，即一个字节。第 8 个时钟周期末，主机释放 SDA 以使从机应答，在第 9 个时钟周期，从机将 SDA 拉低以应答；如果第 9 个时钟周期，SCL 为高电平时，SDA 未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。第 9 个时钟周期末，从机释放 SDA 以使主机继续传输数据，如果主机发送停止信号，此次传输结束。

2.2 器件地址

地址帧总是在一次通信的最开始出现。一个 7bit 的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟 1bit 的操作符，(1 表示读操作，0 表示写操作) 。地址格式如下所示：

2.3 写时序

主机发送完器件地址加上写命令0，从机正确应答后就处于接收数据的状态；此时，主机向器件发送要写数据的起始地址，从机正确应答后，就开始向该地址写数据了，写时序如下：

单字节数据写入完成，主机接收到应答信号后，向从机发送停止信号，字节写完成。

2.4 读时序

主机发送完器件地址加上读命令1，从机正确应答后就处于发送数据的状态；此时从机向主机发送单字节数据，读时序如下：

三、FPGA实现

本次实现使用I2C协议对EEPROM进行读写操作，在EEPROM的地址0到255，写入0到255的累加数，然后再按照顺序读出来，并使用ILA连续捕获出来看数据是否正确

3.1 结构框图

系统整体流程就是，I2C_ctrl模块负责把要读写的地址和写数据给I2C_interface，I2C_interface模块负责实现I2C协议部分，然后把读出的数据给上游。

3.2 详解I2C_interface模块

3.2.1 接口部分

例化接口代码：

c 复制代码 
module I2C_interface #
(
    parameter                                           SYS_CLK_FREQ    = 'd50_000_000,         //系统时钟频率
    parameter                                           I2C_CLK         = 'd100_000,            //I2C输出时钟
    parameter                                           SLAVE_ADDR      = 7'b1010000            //从机地址
)
(
    input                                               sys_clk ,
    input                                               rst_n   ,

    input                                               i2c_start   ,			//I2C开始信号
    input                                               i2c_byte_addr_ctrl  ,   //为1时表示要写入的内存地址是16位的，1表示8位
    input           [15:0]                              i2c_byte_addr   ,		//写入从机内存地址
    input                                               i2c_wr_rd_en    ,		//读写使能，0表示写，1表示读
    input           [7:0]                               i2c_wr_data ,			//写入从机的数据
    output  reg     [ 7:0]                              i2c_rd_data  ,  		//从从机读出的数据
    output  reg                                         i2c_rd_data_valid,		//读数据有效信号
    output  reg                                         i2c_done    ,  			//本次I2C操作完成信号
    output  reg                                         i2c_ack , 				//从机给的ack信号
    output  reg                                         scl ,  					//IIC协议的SCL
    inout                                               sda  ,					//IIC协议的SDA
    output  reg                                         i2c_drive_clk  			//却驱动I2C模块的驱动时钟

);

3.2.2 定义状态机

使用状态机来实现I2C协议，整个状态机跳转流程图如下：

代码如下：

c 复制代码 
	localparam                                          Idle                      = 8'b0000_0001; //空闲状态
    localparam                                          Write_slave_addr_state    = 8'b0000_0010; //发送从机器件地址写状态
    localparam                                          Write_byte_addr16_state   = 8'b0000_0100; //发送16位内存地址状态
    localparam                                          Write_byte_addr8_state    = 8'b0000_1000; //发送8位内存地址状态
    localparam                                          Write_data_state          = 8'b0001_0000; //写数据(8 bit)状态
    localparam                                          Write_rd_addr_state       = 8'b0010_0000; //发送器件地址读状态
    localparam                                          Read_data_state           = 8'b0100_0000; //读数据(8 bit)状态
    localparam                                          Stop                      = 8'b1000_0000; //结束I2C操作

3.2.3 实现I2C模块的驱动时钟部分

使用实际IIC通信的四倍频时钟来驱动整个模块，至于为什么是四倍频，下面会讲到

c 复制代码 
localparam                                          clk_div_cnt_max           = SYS_CLK_FREQ/I2C_CLK/4;//I2C四倍频时钟计数最大值
reg             [14:0]                              clk_cnt ;               //分频时钟需要的计数器

//生成SCL的四倍频时钟
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        i2c_drive_clk <= 1'b0;
        clk_cnt <= 'd0;
    end
    else if(clk_cnt == clk_div_cnt_max[14:1] - 1)begin
        i2c_drive_clk <= ~i2c_drive_clk;
        clk_cnt <= 'd0;
    end
    else begin
        i2c_drive_clk <= i2c_drive_clk;
        clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
    end
end

3.2.4 实现控制SDA方向部分

c 复制代码 
reg                                                 sda_ctrl    ;           //控制sda方向，1的时候sda为输出；0的时候sda为输入
reg                                                 sda_out ;               //sda输出信号
wire                                                sda_in  ;				//sda输入信号

//控制SDA
assign  sda             = sda_ctrl ? sda_out : 1'bz;
assign  sda_in          = sda;

3.2.5 实现I2C协议的三段式状态机

3.2.5.1 三段式状态机第一段
c 复制代码 
reg             [7:0]                               cur_state   = Idle;     //状态机当前状态
reg             [7:0]                               next_state  = Idle;     //状态机下一状态

//三段式第一段，时序电路描述状态转移
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)
        cur_state <= Idle;
    else
        cur_state <= next_state;
end
3.2.5.2 三段式状态机第二段
c 复制代码 
reg                                                 state_done   ;          //状态机跳转信号

//三段式第二段，组合逻辑描述状态转移条件
always @(*) begin
    case (cur_state)
        Idle: begin
            if(i2c_start == 1'b1)begin							//如果i2c_start 来临时，就跳入到发送从机地址状态
                next_state = Write_slave_addr_state;
            end
            else begin
                next_state = Idle;
            end
        end

        Write_slave_addr_state:begin							//如果从机地址写完成，判断写入的内存地址是16位还是8位
            if(state_done == 1'b1)begin
                if(i2c_byte_addr_ctrl == 1'b1)begin
                    next_state = Write_byte_addr16_state;
                end
                else begin
                    next_state = Write_byte_addr8_state;
                end
            end
            else begin
                next_state = Write_slave_addr_state;
            end
        end

        Write_byte_addr16_state:begin							//写完内存地址的高8位后，跳转到写低8位状态
            if(state_done == 1'b1)begin
                next_state = Write_byte_addr8_state;
            end
            else begin
                next_state = Write_byte_addr16_state;
            end
        end

        Write_byte_addr8_state:begin							//内存地址低8位写完后，判断是读还是写操作
            if(state_done == 1'b1)begin	
                if(wr_rd_flag == 1'b1)
                    next_state = Write_rd_addr_state;
                else
                    next_state = Write_data_state;
            end
            else 
                next_state = Write_byte_addr8_state;
        end

        Write_data_state:begin									//写数据状态，写完成后跳转到停止状态
            if(state_done == 1'b1)begin
                next_state = Stop;
            end
            else begin
                next_state = Write_data_state;
            end
        end

        Write_rd_addr_state:begin								//由于是读操作，因此还要产生一次虚写操作，就是再发送一次7位从机地址+1 
            if(state_done == 1'b1)begin
                next_state = Read_data_state;
            end
            else begin
                next_state = Write_rd_addr_state;
            end
        end

        Read_data_state:begin									//接收从机发送的数据
            if(state_done == 1'b1)begin
                next_state = Stop;
            end
            else begin
                next_state = Read_data_state;
            end
        end

        Stop:begin												//产生停止信号，然后跳转到空闲状态
            if(state_done == 1'b1)begin
                next_state = Idle;
            end
            else begin
                next_state = Stop;
            end
        end
        default: next_state = Idle;
    endcase
end
3.2.5.3 三段式状态机第三段

由于I2C协议规定，sda上的数据需要在scl为高电平的时候保持稳定，只能在scl为低电平的时候改变。因此我们产生一个四倍频的驱动时钟再加一个四倍频时钟的计数器，就能够实现在任何位置改变数据，波形图如下：

从波形图可以看出，在cnt=1时scl为高电平，此时拉低sda就表示了开始信号；然后在cnt=3时，拉低scl；在cnt=4的时候给sda赋值，在cnt=5的时候，拉高scl。后面依次类推。这样就利用scl四倍频的时钟产生了scl与sda，程序如下：

c 复制代码 
reg                                                 wr_rd_flag ;            //读写信号，0的时候为写；1的时候为读   
reg             [6:0]                               clk4_cnt ;              //I2C四倍频时钟周期计数器
reg             [15:0]                              i2c_byte_addr_reg   ;   //字地址缓存
reg             [7:0]                               i2c_wr_data_reg   ;     //I2C写数据缓存
reg             [7:0]                               i2c_rd_data_temp   ;    //I2C读数据临时数据

//三段式第三段，时序逻辑描述状态输出
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        i2c_rd_data <= 'd0;
        i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
        i2c_done <= 1'b0;
        i2c_ack <= 1'b0;
        scl <=  1'b1;
        sda_ctrl <= 1'b1;       
        sda_out <= 1'b1;           
        state_done   <= 1'b0;      
        wr_rd_flag <= 1'b0;      
        clk4_cnt <= 'd0;          
        i2c_byte_addr_reg <= 'd0;
        i2c_wr_data_reg <= 'd0; 
        i2c_rd_data_temp <= 'd0;
    end
    else begin
        clk4_cnt <= clk4_cnt + 1'b1;
        case (cur_state)
            Idle: begin
                if(i2c_start ==1'b1)begin               //开始传输时，把读写使能，地址，数据都暂存下来
                    wr_rd_flag <= i2c_wr_rd_en;
                    i2c_byte_addr_reg <= i2c_byte_addr;
                    i2c_wr_data_reg <= i2c_wr_data;
                    clk4_cnt <= 'd0;
                    i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
                end
                else begin
                    clk4_cnt <= 'd0;
                    scl <=  1'b1;
                    sda_ctrl <= 1'b1;
                    sda_out <= 1'b1; 
                    i2c_done <= 1'b0;
                    i2c_ack <= 1'b0;
                    i2c_rd_data_valid <= 1'b0;
                end
            end

            Write_slave_addr_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd1:    sda_out <= 1'b0;            //SCL为高电平时，拉低SDA为起始信号
                    'd3:    scl <= 1'b0;
                    'd4:    sda_out <= SLAVE_ADDR[6];   //低电平时传输器件地址低6位
                    'd5:    scl <= 1'b1;
                    'd7:    scl <= 1'b0;
                    'd8:    sda_out <= SLAVE_ADDR[5];   //低电平时传输器件地址低5位
                    'd9:    scl <= 1'b1;
                    'd11:   scl <= 1'b0;
                    'd12:   sda_out <= SLAVE_ADDR[4];   //低电平时传输器件地址低4位
                    'd13:   scl <= 1'b1;
                    'd15:   scl <= 1'b0;
                    'd16:   sda_out <= SLAVE_ADDR[3];   //低电平时传输器件地址低3位
                    'd17:   scl <= 1'b1;
                    'd19:   scl <= 1'b0;
                    'd20:   sda_out <= SLAVE_ADDR[2];   //低电平时传输器件地址低2位
                    'd21:   scl <= 1'b1;
                    'd23:   scl <= 1'b0;
                    'd24:   sda_out <= SLAVE_ADDR[1];   //低电平时传输器件地址低1位
                    'd25:   scl <= 1'b1;
                    'd27:   scl <= 1'b0;
                    'd28:   sda_out <= SLAVE_ADDR[0];   //低电平时传输器件地址低0位
                    'd29:   scl <= 1'b1;
                    'd31:   scl <= 1'b0;
                    'd32:   sda_out <= 1'b0;            //写命令
                    'd33:   scl <= 1'b1;
                    'd35:   scl <= 1'b0;
                    'd36:   begin
                            sda_out <= 1'b1;            
                            sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 
                    end
                    'd37:   scl <= 1'b1;
                    'd38:   begin
                            state_done <= 1'b1;
                            if(sda_in == 1'b1)          //如果第9位sda为低电平，则表示从机应答成功,状态机跳转 
                                i2c_ack <= 1'b0;
                            else
                                i2c_ack <= 1'b1;
                    end
                    'd39:   begin
                            state_done <= 1'b0;         //拉低状态机跳转信号
                            clk4_cnt <= 'd0;            //计数器清零
                            scl <= 1'b0;
                            i2c_ack <= 1'b0;
                    end
                    default: ;
                endcase
            end

            Write_byte_addr16_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd0 :begin
                        sda_ctrl<= 1'b1;                        //拿回SDA控制权，并且传开始输内存地址的高8位
                        sda_out <= i2c_byte_addr_reg[15];       
                    end       
                    'd1 :   scl <= 1'b1;
                    'd3 :   scl <= 1'b0;
                    'd4 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[14];
                    'd5 :   scl <= 1'b1;
                    'd7 :   scl <= 1'b0;
                    'd8 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[13];
                    'd9 :   scl <= 1'b1;
                    'd11:   scl <= 1'b0; 
                    'd12:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[12];  
                    'd13:   scl <= 1'b1;  
                    'd15:   scl <= 1'b0;  
                    'd16:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[11];
                    'd17:   scl <= 1'b1;  
                    'd19:   scl <= 1'b0;  
                    'd20:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[10];
                    'd21:   scl <= 1'b1;  
                    'd23:   scl <= 1'b0;  
                    'd24:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[9];
                    'd25:   scl <= 1'b1;  
                    'd27:   scl <= 1'b0;  
                    'd28:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[8];
                    'd29:   scl <= 1'b1;
                    'd31:   scl <= 1'b0; 
                    'd32:   begin
                            sda_out <= 1'b1;
                            sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 
                    end
                    'd33:   scl <= 1'b1;
                    'd34:   begin
                            state_done <= 1'b1;
                            if(sda_in == 1'b1)
                                i2c_ack <= 1'b0;
                            else
                                i2c_ack <= 1'b1;    
                    end
                    'd35:  begin
                            state_done <= 1'b0;
                            scl <= 1'b0;
                            clk4_cnt <= 'd0;
                            i2c_ack <= 1'b0;
                    end         
                    default: ;
                endcase
            end

            Write_byte_addr8_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd0 :begin
                            sda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权,并且传开始输内存地址的低8位
                            sda_out <= i2c_byte_addr_reg[7];
                    end
                    'd1 :   scl <= 1'b1;
                    'd3 :   scl <= 1'b0;
                    'd4 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[6];
                    'd5 :   scl <= 1'b1;
                    'd7 :   scl <= 1'b0;
                    'd8 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[5];
                    'd9 :   scl <= 1'b1;
                    'd11:   scl <= 1'b0; 
                    'd12:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[4];  
                    'd13:   scl <= 1'b1;  
                    'd15:   scl <= 1'b0;  
                    'd16:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[3];
                    'd17:   scl <= 1'b1;  
                    'd19:   scl <= 1'b0;  
                    'd20:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[2];
                    'd21:   scl <= 1'b1;  
                    'd23:   scl <= 1'b0;  
                    'd24:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[1];
                    'd25:   scl <= 1'b1;  
                    'd27:   scl <= 1'b0;  
                    'd28:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[0];
                    'd29:   scl <= 1'b1;
                    'd31:   scl <= 1'b0; 
                    'd32:   begin
                            sda_out <= 1'b1;
                            sda_ctrl<= 1'b0;                //释放sda总线 
                    end
                    'd33:   scl <= 1'b1;
                    'd34:   begin
                            state_done <= 1'b1;
                            if(sda_in == 1'b1)
                                i2c_ack <= 1'b0;
                            else
                                i2c_ack <= 1'b1;    
                    end
                    'd35:  begin
                            state_done <= 1'b0;
                            scl <= 1'b0;
                            clk4_cnt <= 'd0;
                            i2c_ack <= 1'b0;
                    end         
                    default: ;
                endcase
            end

            Write_data_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd0 :begin
                            sda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权，并且传开始输8位写数据
                            sda_out <= i2c_wr_data_reg[7];
                    end
                    'd1 :   scl <= 1'b1;
                    'd3 :   scl <= 1'b0;
                    'd4 :   sda_out <= i2c_wr_data_reg[6];
                    'd5 :   scl <= 1'b1;
                    'd7 :   scl <= 1'b0;
                    'd8 :   sda_out <= i2c_wr_data_reg[5];
                    'd9 :   scl <= 1'b1;
                    'd11:   scl <= 1'b0; 
                    'd12:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[4];  
                    'd13:   scl <= 1'b1;  
                    'd15:   scl <= 1'b0;  
                    'd16:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[3];
                    'd17:   scl <= 1'b1;  
                    'd19:   scl <= 1'b0;  
                    'd20:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[2];
                    'd21:   scl <= 1'b1;  
                    'd23:   scl <= 1'b0;  
                    'd24:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[1];
                    'd25:   scl <= 1'b1;  
                    'd27:   scl <= 1'b0;  
                    'd28:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[0];
                    'd29:   scl <= 1'b1;
                    'd31:   scl <= 1'b0; 
                    'd32:   begin
                            sda_out <= 1'b1;
                            sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 
                    end
                    'd33:   scl <= 1'b1;
                    'd34:   begin
                            state_done <= 1'b1;
                            if(sda_in == 1'b1)
                                i2c_ack <= 1'b0;
                            else
                                i2c_ack <= 1'b1;    
                    end
                    'd35:  begin
                            state_done <= 1'b0;
                            scl <= 1'b0;
                            clk4_cnt <= 'd0;
                            i2c_ack <= 1'b0;
                    end         
                    default: ;
                endcase
            end

            Write_rd_addr_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd0:begin    
                            sda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权,开始传输器件地址加上读命令
                            sda_out<= 1'b0;
                    end
                    'd1:    scl <= 1'b1;
                    'd2:    sda_out<= 1'b1;             //停止信号
                    'd4:    sda_out<= 1'b0;             //开始信号
                    'd6:    scl <= 1'b0;
                    'd7:    sda_out <= SLAVE_ADDR[6];
                    'd8:    scl <= 1'b1;
                    'd10:   scl <= 1'b0;
                    'd11:   sda_out <= SLAVE_ADDR[5];
                    'd12:   scl <= 1'b1;
                    'd14:   scl <= 1'b0;
                    'd15:   sda_out <= SLAVE_ADDR[4];
                    'd16:   scl <= 1'b1;
                    'd18:   scl <= 1'b0;
                    'd19:   sda_out <= SLAVE_ADDR[3];
                    'd20:   scl <= 1'b1;
                    'd22:   scl <= 1'b0;
                    'd23:   sda_out <= SLAVE_ADDR[2];
                    'd24:   scl <= 1'b1;
                    'd26:   scl <= 1'b0;
                    'd27:   sda_out <= SLAVE_ADDR[1];
                    'd28:   scl <= 1'b1;
                    'd30:   scl <= 1'b0;
                    'd31:   sda_out <= SLAVE_ADDR[0];
                    'd32:   scl <= 1'b1;
                    'd34:   scl <= 1'b0;
                    'd35:   sda_out <= 1'b1;                //读命令
                    'd36:   scl <= 1'b1;
                    'd38:   scl <= 1'b0;
                    'd39:   begin
                            sda_out <= 1'b1;
                            sda_ctrl<= 1'b0;                //释放sda控制权
                    end
                    'd40:   scl <= 1'b1;
                    'd41:   begin
                            state_done <= 1'b1;
                            if(sda_in == 1'b1)
                                i2c_ack <= 1'b0;
                            else
                                i2c_ack <= 1'b1;
                    end
                    'd42:   begin
                            state_done <= 1'b0;
                            clk4_cnt <= 'd0;
                            scl <= 1'b0;
                            i2c_ack <= 1'b0;
                    end     
                    default: ;
                endcase
            end

            Read_data_state:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd1:    scl <= 1'b1;
                    'd2:    i2c_rd_data_temp[7] <= sda_in;
                    'd3:    scl <= 1'b0;
                    'd5:    scl <= 1'b1;
                    'd6:    i2c_rd_data_temp[6] <= sda_in;
                    'd7:    scl <= 1'b0;
                    'd9:    scl <= 1'b1;
                    'd10:   i2c_rd_data_temp[5] <= sda_in;
                    'd11:   scl <= 1'b0;
                    'd13:   scl <= 1'b1;
                    'd14:   i2c_rd_data_temp[4] <= sda_in;
                    'd15:   scl <= 1'b0;
                    'd17:   scl <= 1'b1;
                    'd18:   i2c_rd_data_temp[3] <= sda_in;
                    'd19:   scl <= 1'b0;
                    'd21:   scl <= 1'b1;
                    'd22:   i2c_rd_data_temp[2] <= sda_in;
                    'd23:   scl <= 1'b0;
                    'd25:   scl <= 1'b1;
                    'd26:   i2c_rd_data_temp[1] <= sda_in;
                    'd27:   scl <= 1'b0;
                    'd29:   scl <= 1'b1;
                    'd30:   i2c_rd_data_temp[0] <= sda_in;
                    'd31:   scl <= 1'b0;
                    'd32:   begin
                            sda_ctrl<= 1'b1;
                            sda_out <= 1'b1;
                    end
                    'd33:   scl <= 1'b1;
                    'd34:   state_done <= 1'b1;
                    'd35:   begin
                            state_done <= 0;
                            scl <= 1'b0;
                            clk4_cnt <= 'd0;
                            i2c_rd_data <= i2c_rd_data_temp;
                            i2c_rd_data_valid <= 1'b1;
                    end
                    default: ;
                endcase
            end

            Stop:begin
                case (clk4_cnt)
                    'd0:    begin
                        sda_ctrl<= 1'b1;
                        sda_out <= 1'b0;
                    end
                    'd1:    scl <= 1'b1;            //在scl为高电平时候，拉高sda代表停止信号
                    'd3:    sda_out <= 1'b1;
                    'd10:   state_done <= 1'b1;
                    'd11:   begin
                             clk4_cnt <= 'd0;
                             i2c_done <= 1'b1;
                             state_done <= 1'b0;
                    end
                    default: ;
                endcase
            end
            default: ;
        endcase
    end
end

endmodule

3.3 详解I2C_ctrl模块

该模块主要产生要读和要写的数据和地址，本次想要在EEPROM的0-255地址写入0-255的数字。因为本次板卡上的EEPROM手册要求每次操作完一次后，需要等待500ms，因此本模块也是有状态机完成，每次跳转等待500ms，知道读写完256个数字，代码如下：

c 复制代码 
`timescale 1ns/1ns
module I2C_ctrl
(
    input                                               clk ,
    input                                               rst_n   ,
    output  reg                                         i2c_wr_rd_en   , //I2C读写控制信号
    output  reg                                         i2c_start    , //I2C触发执行信号
    output  reg     [15:0]                              i2c_byte_addr    , //I2C器件内地址
    output  reg     [ 7:0]                              i2c_wr_data  , //I2C要写的数据
    input           [ 7:0]                              i2c_rd_data  , //I2C读出的数据
    input                                               i2c_done    , //I2C一次操作完成
    input                                               i2c_ack,          //I2C应答标志
    output  reg     [3:0]                               led 
);
    localparam                                          delay_cnt_max   = 200000;

    reg             [25:0]                              delay_cnt   ;
    reg             [3:0]                               state   ;
    reg                                                 rw_done ;


always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(rst_n == 1'b0)begin
        state <= 'd0;
        delay_cnt <= 'd0;
        i2c_start <= 1'b0;   
        i2c_byte_addr <= 'd0;   
        i2c_wr_rd_en <= 1'b0 ;    
        i2c_wr_data <='d0; 
        rw_done <= 1'b0;
        led <= 4'b1111;
    end
    else begin
        i2c_start <= 1'b0;
        rw_done <= 1'b0;
        case (state)
            0: begin
                delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
                if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begin
                    delay_cnt <= 'd0;
                    if(i2c_byte_addr == 255)begin
                        i2c_byte_addr <= 'd0;
                        i2c_wr_rd_en <= 1'b1;
                        state <= 2;
                    end
                    else begin
                        state <= 1;
                        i2c_start <= 1'b1;   
                    end
                end
                else begin
                    state <= 'd0;
                end
            end

            1:begin
                if(i2c_done == 1'b1)begin
                    state <= 0;
                    i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr + 1'b1;
                    i2c_wr_data <= i2c_wr_data + 1'b1;
                end
                else
                    state <= 'd1;
            end

            2: begin
                i2c_start <= 1'b1; 
                state <= 3;
            end

            3:begin
               delay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;
                if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begin
                    delay_cnt <= 'd0;
                    if(i2c_byte_addr == 255)begin
                        rw_done <= 1'b1;
                        led<= 4'b0000;
                        state <= 0;
                    end
                    else begin
                        state <= 2;
                        i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr +1'b1;
                    end
                end
                else begin
                    state <= 'd3;
                end
            end
            default: ;
        endcase
    end
end

endmodule

3.4 仿真测试

顶层接口就如同系统框图所示，只有sys_clk，rst_n，以及scl，sda。因此tb文件只需要写入一个时钟和复位即可，然后打开仿真，由于每次操作延时了500ms，可以在仿真的时候修改sys_clk的值来加快仿真，打开仿真如下所示：

  我们可以看到，每次请求iic传输时，给的地址和数据都是累加的，我们放大局部来看具体细节：

当收到i2c_start信号的时候，首先传输开始信号，然后传输设备地址，本次EEPROM地址为1010000，然后跟上写操作0，第九位释放总线，判断ack。其它的同理。

3.5 上板验证

我们添加ila然后打开capture mode抓取信号，观察读出来的数据是否连续，关于capture mode怎么使用，请看《Vivado ILA Capture Control 模式与 Advanced Trigger的功能使用以及TSM（触发状态机）的编写》这篇文章，下载bit文件后，打开ila窗口，设置捕捉信号为，rd_data_valid上升沿，观察波形如下：

我们可以看到，读出来的数据是0-255循环累加的数，验证成功。

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