FPGA之旅设计99例之第五例-----IIC通信

一. 简介

这是FPGA之旅设计的第五例啦！今天给大家带来的是IIC通信，IIC协议应用非常广泛，例如与MPU6050进行通信，配置OV5640摄像头、驱动OLED屏幕等等，都需要使用到IIC协议，所以掌握它是非常必要的，废话不多说，接着往下看。文末获取完整代码。

二. IIC简介

IIC协议分为主机和从机，所有的请求都是由主机发出，从机进行响应，从机是没有办法对主机进行读或写的。IIC协议共有两根线，数据线SDA和时钟线SCL，两根线就可以完成所以的通信请求，简直是太给力了。

三. IIC协议

终于到了IIC协议的部分。IIC协议简单来说，共有五种状态，这五种状态的有序组合就组成了完整的IIC通信，学习IIC协议，就是学习这五种状态。

• 空闲态: SCL 和 SDA 都为高电平，不进行通信的时候。
• 起始态： 在SCL为高电平的时候，将SDA拉低，主机通知从机，开始进行通信。
• 数据传输态：数据传输态，又可以分为读和写两个部分，过程都是一样的，就合在一起了，都是在SCL为低电平的时候，SDA将数据发送，在SCL为高电平的时候，将数据接收。
• (非)应答态：数据传输态完成后，必须接一个应答态或者非应答态，为了确定对方接收到了数据。在SCL为高电平的时候，检测到SDA为低电平，则为应答，否则为非应答。
• 停止态：一次数据传输完成，由主机发起，在SCL为高电平的时候，SDA由低电平变成高电平。

了解了这五种状态后，接下来就要学习如何使用这五种状态来进行读写操作了。

(一) IIC写操作

下面就是一个完整的写操作，共包含三次数据传输态，第一次发送的是从机地址 + 0，第二次发送的是寄存器的地址，第三次写的是数据，写入寄存器中的数据。从机地址一般为7bit，与另外一bit共同组成8bit，0表示写，1表示读。

（二）IIC读操作

读操作要比写操作复杂一点，需要的状态多一些。一共有五个数据传输态，状态图如下了。

上面的流程图都是对从机的地址为7位以及从机的寄存器地址为8位的操作。

四. Verilog代码实现

有了上面的各个状态中，SDA和SCL的变换关系，以及读写的序列，就可以很方便的来写程序啦。

1. 首先，当然离不开状态机，根据上面叙述的五种状态，编写状态机，状态机中，将数据传输态分成了读和写两种状态。有了各个状态，操作SDA和SCL两根线不是易如反掌嘛！

   /*IIC 状态*/
   localparam IIC_IDLE       =   6'b000_001;  /*空闲态*/
   localparam IIC_START      =   6'b000_010;  /*起始态*/
   localparam IIC_WRDATA     =   6'b000_100;  /*写数据态*/
   localparam IIC_RDDATA     =   6'b001_000;  /*读数据态*/
   localparam IIC_ACK        =   6'b010_000;  /*应答态*/
   localparam IIC_STOP       =   6'b100_000;  /*停止态*/
   

2. 状态机的跳转条件如下，跳转条件和上面叙述的一样。单独看这个有点难懂，有些变量不明白其具体含义，可以结和仿真图形和完整代码进行理解。

   /*状态机*/
   always @(*)
   begin
       case(state)
       IIC_IDLE: 
           if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1)
               next_state <= IIC_START;
           else
               next_state <= IIC_IDLE;
       IIC_START:
           if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2))
               next_state <= IIC_WRDATA;
           else
               next_state <= IIC_START;
       IIC_WRDATA:
           if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)
               next_state <= IIC_ACK;
           else
               next_state <= IIC_WRDATA;
       IIC_RDDATA:
           if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)
               next_state <= IIC_ACK;
           else
               next_state <= IIC_RDDATA;
       IIC_ACK:
           if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)
               if(IICSendBytes == 'd3) 
                   if(IICWriteReq == 1'b1)         /*三个字节发送完成，进入停止态*/
                       next_state <= IIC_STOP;
                   else 
                       next_state <= IIC_RDDATA;
               else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1)
                   next_state <= IIC_START;
               else if(IICSendBytes == 'd4)
                   next_state <= IIC_STOP;
               else
                   next_state <= IIC_WRDATA;
           else
               next_state <= IIC_ACK;
       IIC_STOP:
           if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1)
               next_state <= IIC_IDLE;
           else
               next_state <= IIC_STOP;
       default:  next_state <= IIC_IDLE;
       endcase
   end
   

   各个部分实现的详细代码，就不列举出来啦，代码总计280多行，也不算多。通过本IIC模块，可以驱动OV5640摄像头，MPU6050模块和0.96寸OLED屏幕等等，后续会基于此模块，来驱动这些外设。

五. testbeach编写

还是按照流程走，编写完模块后，进行一下仿真，还真有错误，幸亏仿真了，哈哈哈。

`timescale 1ns/1ps

module testbench();

    reg  clk;
    reg  rst;
    wire  SDA;
    wire  SCL;
    reg IICWriteReq;
    reg IICReadReq;
    wire IICWriteDone;
    wire IICReadDone;
    always # 50 clk = ~clk;
    initial begin
        clk = 1'b1;
        rst = 1'b1;

        IICWriteReq = 1'b0;
        IICReadReq = 1'b1;
        #100   /*手动复位*/
        rst = 1'b0;
        #100
        rst = 1'b1;
    end
    
    always@(posedge clk)
        if(IICReadDone == 1'b1)   /*读完成后，readReq为0，只进行一次读写操作*/
            IICReadReq <= 1'b0;
        else
            IICReadReq <= IICReadReq;

IIC_Driver  IIC_DriverHP(
    .sys_clk            (clk),           /*系统时钟*/
    .rst_n              (rst),             /*系统复位*/

    .IICSCL             (SCL),            /*IIC 时钟输出*/
    .IICSDA             (SDA),             /*IIC 数据线*/

    .IICSlave           ('h1234),

    .IICWriteReq        (IICWriteReq),       /*IIC写寄存器请求*/
    .IICWriteDone        (IICWriteDone),      /*IIC写寄存器完成*/
    .IICWriteData        ('h5a), /*IIC发送数据 8bit的从机地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的数据(读忽略，后默认为0)*/

    .IICReadReq         (IICReadReq),        /*IIC读寄存器请求*/
    .IICReadDone        (IICReadDone),       /*IIC读寄存器完成*/
    .IICReadData        ()/*IIC读取数据*/
);

endmodule

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