单片机——通信协议（FPGA+c语言应用之iic篇）

一.I2C的功能特点

（1）功能包括：

        1.只需要两条总线；

        2.没有严格的波特率要求，例如使用RS232，主设备生成总线时钟；

        3.所有组件之间都存在简单的主/从关系，连接到总线的每个设备均可通过唯一地址进行软件寻址；

        4.I²C是真正的多主设备总线，可提供仲裁和冲突检测；       

（2） 传输速度 

• 标准模式：Standard Mode = 100 Kbps

• 快速模式：Fast Mode = 400 Kbps

• 高速模式：High speed mode = 3.4 Mbps

• 超快速模式：Ultra fast mode = 5 Mbps

（3）能挂载的iic设备数目

        1.最大主设备数：无限制；

        2.最大从机数：理论上是127；

 

 

二.数据传输

        主设备和从设备进行数据传输时遵循以下协议格式。数据通过一条SDA数据线在主设备和从设备之间传输0和1的串行数据。串行数据序列的结构可以分为：

 

 三.协议解析

        （1）开始位和停止位

                开始位

                1.SDA线由高电平切换成低电平；

                2.SCL线由高电平切换成低电平；

开始位 c代码实现：

// 起始信号
void IIC_start(void)
{
    // 1.首先把数据线设置为输出模式
    // 总线空闲, SCL和SDA输出高
    SCL = 1;  
    SDA = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由高变低
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    
    // 拉低SCL开始传输数据
    SCL = 0;
}

                 停止位

                1.将SDA线从低电压电平切换到高电压电平；

                2.再将SCL线从高电平拉到低电平；

 停止位c代码实现：

/ 停止信号
void IIC_stop(void)
{
    // 1.首先把数据线设置为输出模式
    
    // 拉高时钟线
    SDA = 0;
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    
    // SDA由低变高
    SDA = 1;
}

         （2）地址位+读写命令位

                地址位支持7bit、10bit，主设备如果需要向从机发送/接收数据，首先要发送对应从机的地址，然后会匹配总线上挂载的从机的地址，故地址为主要用来辨识不同设备。

          地址位由主机发送，从设备负责接受并识别该地址是否位自己地址。

         读写位由主机发送；1表示读操作，0表示写操作。

 （3）应答位

        应答信号： 出现在1个字节传输完成之后，即第9个SCL时钟周期内，此时主机需要释放SDA总线，把总线控制权交给从机，由于上拉电阻的作用，此时总线为高电平，如果从机正确的收到了主机发来的数据，会把SDA拉低，表示应答响应。

 

        非应答信号：当第9个SCL时钟周期时，SDA保持高电平，表示非应答信号。

非应答信号可能是主机产生也可能是从机产生，产生非应答信号的情况主要有以下几种：

• I2C总线上没有主机所指定地址的从机设备；

• 从机正在执行一些操作，处于忙状态，还没有准备好与主机通讯；

• 主机发送的一些控制命令，从机不支持；

• 主机接收从机数据时，主机产生非应答信号，通知从机数据传输结束，不要再发数据了；

 

（4）数据位 

        I2C数据总线传输要保证在SCL为高电平时，SDA数据稳定，所以SDA上数据变化只能在SCL为低电平时 

        一次传输的数据总共有8位，由发送方设置，它需要将数据位传输到接收方。发送之后会紧跟一个ACK / NACK位，如果接收器成功接收到数据，则从机发送ACK。否则，从机发送NACK。

        数据可以重复发送多个，直到接收到停止位为止。

写数据等待应答c代码

// 等待ACK   1-无效    0-有效
u8 IIC_wait_ack(void)
{
    u8 ack = 0;
    
    // 数据线设置为输入
    
    // 拉高时钟线
    SCL = 1;
    delay_us(5);
    // 获取数据线的电平
    if(SDA)
    {   // 无效应答
        ack = 1;
        IIC_stop();
    }
    else
    {   // 有效应答
        ack = 0;
        // 拉低SCL开始传输数据
        SCL = 0;
        delay_us(5);
    }
    
    return ack;
}

读数据等待应答 c代码

void IIC_ack(u8 ack)
{
    // 数据线设置为输出
    
    SCL = 0;
    delay_us(5);
    
    if(ack)
        SDA = 1; // 无效应答
    else
        SDA = 0; // 有效应答      
    delay_us(5);
    SCL = 1;
    // 保持数据稳定
    delay_us(5);
    // 拉低SCL开始传输数据
    SCL = 0;
}

 

三.FPGA实现

   （1）test_ctrl模块状态机设计     

 

（2） 模块设计

 

 

（3）代码实现 

 

（4）测试代码实现 

 

（5）仿真结果 

        读的前仿真结果

 （6）后仿真结果

 

 

四.封装iic的IP核并通过linux驱动的方式驱动

        1.先生成一个带axi总线的IP核；

        2.把要控制的信号通过例化的方式连接寄存器；

        3.生成镜像文件；

        4.写C语言驱动，并控制寄存器

        5.测试，完成 

                                                        步骤有点复杂，有空再完成