FPGA学习之路—接口（2）—I2C协议详解+Verilog源码分析

FPGA学习之路——I2C协议详解+Verilog源码分析

定义

I2C Bus(Inter-Integrated Circuit Bus) 最早是由Philips半导体（现被NXP收购）开发的两线时串行总线，常用于微控制器与外设之间的连接。I2C仅需两根线就可以支持一主多从或者多主连接，主要优点为简单、便宜、可靠性高，I2C总线示意图如下。

• SDA（Serial Data）：串行数据线
• SCL（Serial Clock）：串行时钟线
  
  1、I2C总线共两条双向串行线，SDA为串行数据线，SCL为串行时钟线。
  2、SDA上的数据传输为最大端传输（先发送MSB，最后发送LSB），每次传输1个字节。
  3、支持多主控，但任何时间只能有一个主控。
  4、总线上每个设备都有自己的地址，共7个bit，第8个bit存放主设备对从设备的读/写操作信息，广播地址全0。

工作流程

1、I2C位传输

数据传输： SCL为高电平时，若SDA线保持稳定，那么SDA线上在进行数据的传输或是空闲态；若SDA线发生跳变，则表示一个会话的开始或者结束。
数据改变： SDA仅能在SCL为低电平时改变传输的bit，否则表示会话状态的改变。

2、I2C开始和结束信号

开始信号： SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始数据的传送。
结束信号： SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束数据的传送。

3、I2C应答信号

Master每发送完8bit数据后交出SDA的控制权，等待Slave的ACK。也就是在第9个Clock，若从设备发ACK，那么SDA会被拉低。如果Master未收到从设备的ACK，那么SDA会被拉高，这会导致Master发生RESTART或者STOP流程。

4、I2C写流程

1、Master在SCL为高电平期间，拉低SDA，发起START。
2、Master发送设备地址（7bit）和写操作0（1bit），等待ACK。
3、对应的Slave回应ACK。
4、Master发送寄存器地址（8bit），等待ACK。
5、对应的Slave回应ACK。
6、Master发送数据（8bit），也就是要写入Slave寄存器中的数据，等待ACK。
7、对应的Slave回应ACK。
8、其中的6,7步可重复执行多次，即按顺序对多个寄存器进行写操作。
9、Master发起STOP。

5、I2C读流程

1、Master在SCL为高电平期间，拉低SDA，发起START。
2、Master发送设备地址（7bit）和写操作0（1bit），等待ACK。
3、Slave发送ACK。
4、Master发送寄存器地址（8bit），等待ACK。
5、Slave发ACK。
6、Master发起START。
7、Master发送I2C设备地址（7bit）和读操作1（1bit），等待ACK。
8、Slave发送ACK。
9、Slave发送data（以字节为单位），即对应寄存器中的值。
10、Master发送ACK。
11、第9步和第10步可重复进行多次，即按顺序读多个寄存器。

Verilog代码分析

本博客中所示代码片段为《VERILOG HDL应用程序设计实例精讲》提供的例程，仅供学习用途。

时钟操作是I2C设计的关键部分，为更清楚的分析I2C时序关系，我们将一个时钟周期分为4个部分a,b,c,d，如下图所示。

Verilog代码如下：

case(startcnt)
						2'b00:
							begin
								scl <= 1'b0;            //时钟a段
								startcnt <= 2'b01;
							end
						2'b01:
							begin
								scl <= 1'b1;			//时钟b段
								startcnt <= 2'b10;
							end	
						2'b10:
							begin
								scl <= 1'b1;			//时钟c段
								startcnt <= 2'b11;
							end	
						2'b11:
							begin
								scl <= 1'b0;			//时钟d段
								startcnt <= 2'b00;
							end	
						default:
							begin
								scl <= 1'b0;
								startcnt <= 2'b00;
							end						
endcase

I2C总线START信号的特征：在时钟信号SCL为高电平时，数据信号SDA由高到低跳变，Verilog代码如下：

assign sda=(link)? sda_buf:1'bz;   //link为是否传输数据的标志，sda_buf为sda的寄存器。
                                   //sda为双向端口。
start:begin
	case(startcnt)
	2'b00:begin
		scl<=1'b1;
		sda_buf<=1'b1;			   //时钟信号保持为高，sda数据设为高。
		link<=1'b1;                //表示Master此时将sda_buf中的数据送到sda线上
		startcnt<=2'b01;
	end
	2'b01:begin
		scl<=1'b1;  
		sda_buf<=1'b0;              //时钟信号保持为高，sda数据设为低，完成START。
		link<=1'b1;               
		startcnt<=2'b10;
	end
	2'b10:begin
		scl<=1'b0;  
		sda_buf<=1'b0;              //时钟信号和数据信号均为低。
		link<=1'b1;               
		startcnt<=2'b11;
	end
	2'b11:begin
		scl<=1'b0;  
		sda_buf<=1'b0;             
		link<=1'b1;               
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=first;      	//完成START操作后，进行后续操作，改变外层状态。
	end
	default:begin
		scl<=1'b1;  
		sda_buf<=1'b1;             
		link<=1'b1;               
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=start;
	end
	endcase
end

I2C主设备发送从设备的地址信号和读写标志，其中地址信号的发送顺序为从高位至低位。

assign sda=(link)? sda_buf:1'bz;   //link为是否传输数据的标志，sda_buf为sda的寄存器。
                                   //sda为双向端口。
case(startcnt)
	2'b00:begin
		scl<=1'b0;				   //此时时钟线为低，无法进行数据传输。
		sda_buf<=chipaddr[7];      //从设备地址最高位
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b01;
	end	
	2'b01:begin
		scl<=1'b1;				   //此时时钟线为高，进行数据传输。
		sda_buf<=chipaddr[7];      //从设备地址最高位
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b10;
	end
	2'b10:begin
		scl<=1'b1;				   
		sda_buf<=chipaddr[7];      //scl为高时，sda需维持不变，否则会开始或终止当前会话。
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b11;
	end
	2'b11:begin
		scl<=1'b0;				   
		sda_buf<=chipaddr[7];      
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=second;       //进行下一步操作，传输地址的次高bit。
	end
	default:begin
		scl<=1'b1;				   
		sda_buf<=chipaddr[7];      
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=first;
	end
endcase

上面的代码用于发送从设备的地址和读写标志，重复7次即可完成该操作。发送完从设备的地址信号的读写标志后，接着Master需检测从设备发送的应答信号，Verilog代码如下。

assign sda=(link)? sda_buf:1'bz;   //link为是否传输数据的标志，sda_buf为sda的寄存器。
                                   //sda为双向端口。
ack:begin
	case(startcnt)
		2'b00:begin
			scl<=1'b0;
			link<=1'b0;            //更改数据信号sda为输入。
			startcnt<=2'b01;
		end
		2'b01:begin
			scl<=1'b1;
			link<=1'b0;            
			startcnt<=2'b10;
		end
		2'b10:begin
			scl<=1'b1;
			link<=1'b0;    
			sta_buf<=sda;          //在时钟线保持高电平时，采样数据信号sda的值。   
			startcnt<=2'b11;
		end
		2'b11:begin
			scl<=1'b0;
			link<=1'b0;
			startcnt<=2'b00;
			if(sda_buf==1'b0)		//若接收的sda数据为低，则表示检测到从设备的应答信号
				begin
					inner_state<=first;    //返回初始状态
					i2c_state<=sendaddr;   //发送从设备地址成功后，进入下一阶段。
										   //发送寄存器地址。
					link<=1'b1;            //主设备重新在sda数据线上进行数据传输。
				end
			else begin
				main_state<=3'b000;        //回到等待读写请求状态。
				inner_state<=start;
			end
		end
	endcase
end

I2C总线停止信号的特征：在时钟信号scl为高电平时，sda由低到高进行跳变，Verilog代码如下。

assign sda=(link)? sda_buf:1'bz;   //link为是否传输数据的标志，sda_buf为sda的寄存器。
                                   //sda为双向端口。
stop:begin
	case(startcnt)
	2'b00:begin						//时钟和数据信号都为低
		scl<=1'b0;
		sda_buf<=1'b0;
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b01;
	end
	2'b01:begin						//时钟信号变为高，数据信号为低
		scl<=1'b1;
		sda_buf<=1'b0;
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b10;
	end
	2'b10:begin						//不在此周期内改变数据信号。
									//保证时钟信号稳定后再进行数据信号的变化.
		scl<=1'b1;
		sda_buf<=1'b0;
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b11;
	end
	2'b11:begin                  	//时钟信号保持高，数据信号设为高，完成从低到高的跳变。
		scl<=1'b1;
		sda_buf<=1'b1;
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=start;
		i2c_state<=ini;
		main_state<=2'b00;
	end
	default:begin
		scl<=1'b1;
		sda_buf<=1'b0;
		link<=1'b1;
		startcnt<=2'b00;
		inner_state<=ack;
	end
	endcase
end

将以上的代码段组合起来，基本就可以实现I2C协议了。