【黑金云课堂】FPGA技术教程FPGA基础：I2C 总线通信技术

FPGA 基础 第 11 期 I2C 总线通信技术 ，选自**ALINX 黑金云课堂 FPGA 免费直播课** 。该课程由 ALINX 资深工程师团队倾力打造，从 0 到 1 系统化教学，帮助每位工程师跨过 FPGA 开发门槛。

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一、I2C基本原理

• 总线特点半双工、同步、多主多从的串行通信总线，仅需两根线：SDA（数据线） 和 SCL（时钟线）。
• 物理层关键
  • 开漏输出 + 上拉电阻实现"线与"逻辑。
  • 上拉电阻影响上升时间和功耗：标准模式（100kHz）推荐 4.7kΩ，快速模式（400kHz）推荐 2.2kΩ / 1.8kΩ。
• 协议层核心
  • 起始条件 (START)：SCL高电平时SDA由高→低。
  • 停止条件 (STOP)：SCL高电平时SDA由低→高。
  • 数据帧：8位数据，高位优先，每字节后跟1位应答位（ACK/NACK）。
  • 地址帧：7位从机地址 + 1位读写位（0=写，1=读）。
• 通信流程
  • 写操作：START → 地址+写 → ACK → 数据 → ACK → STOP。
  • 读操作：START → 地址+写 → ACK → 寄存器地址 → ACK → 重复START → 地址+读 → ACK → 读数据 → NACK → STOP。

二、EEPROM读写实验（AT24C02）

• 实验目标通过FPGA对AT24C02进行字节/页写和读操作。

• 硬件连接SDA/SCL接上拉电阻（4.7kΩ）至5V。

• 关键注意写入操作后需等待至少 5ms（写入周期），或通过轮询ACK确认。

• FPGA实现通过状态机模拟I2C时序，控制起始、地址、数据、停止及应答检测。

  // I2C主设备模块定义
  module i2c_master
  (input clk, rst_n,
  inout sda, scl,
  input [6:0] addr);

  // 写EEPROM状态机
  case (state)
  IDLE: begin scl=1; sda=1; end
  START: sda=0; // 起始条件
  ADDR: sda=addr[bit]; // 发地址
  DATA: sda=data[bit]; // 发数据
  STOP: sda=0; scl=1; sda=1; // 停止
  endcase

  // 读EEPROM状态机
  case (state)
  RD_ADDR: sda=addr[bit];
  RD_DATA: begin // 释放SDA
  sda=1'bz; // 高阻态
  data_rd=sda; // 采样数据
  end
  endcase

三、LM75温度传感器读取实验

• 实验目标FPGA通过I2C读取LM75温度值。

• LM75要点

  • 地址格式：1001 A2 A1 A0，最多挂载8个设备。
  • 温度寄存器地址：0x00，16位数据，高9位有效（符号位+整数位）。
  • 温度计算公式：实际温度 = (原始数据 >> 7) × 0.5°C。

• FPGA实现状态机先写寄存器地址（0x00），再读2字节数据，最后移位计算温度。

  // 状态机：写寄存器地址 & 读温度数据
  always @(posedge clk) begin
      case (i2c_state)
          WRITE_ADDR: begin  // 阶段1: 写0x00
              sda_out <= lm75_addr[7:0];
              if (ack) i2c_state <= READ_DATA;
          end
          READ_DATA: begin  // 阶段2: 读2字节
              temp_raw[15:8] <= sda_in; // 高8位
              temp_raw[7:0]  <= sda_in; // 低8位
              i2c_state <= IDLE;
          end
      endcase
  end

四、总结与进阶

• 核心回顾
  • 双线、开漏、上拉电阻、起始/停止、地址/数据帧、应答机制、主读/主写流程。
• 常见总线对比
  • I2C：2线，多主多从，低速，常用于传感器、EEPROM。
  • SPI：4线，单主多从，高速，常用于ADC/DAC。
  • UART：2线（TX/RX），异步，常用于上位机通信。
• 进阶学习
  • 多主设备仲裁、10位地址模式、软件I2C（Bit-Banging）、逻辑分析仪调试。

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系列	内容定位
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Vitis开发	Zynq软硬件协同、外设驱动、网络协议栈
Linux开发	嵌入式Linux系统移植、驱动编写、应用开发