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IIC協(xié)議驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
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IIC 即 Inter-Integrated Circuit（集成電路總線），這種總線類型是由飛利浦半導(dǎo)體公司在八十年代初設(shè)計(jì)出來的一種簡(jiǎn)單、雙向、二線制、同步串行總線，主要是用來連接整體電路（ICS） ，IIC是一種多向控制總線，也就是說多個(gè)芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時(shí)每個(gè)芯片都可以作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃?。這種方式簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸總線接口。
I2C 總線是一種串行數(shù)據(jù)總線，只有二根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線 SDA，另一根是時(shí)鐘線 SCL，兩條線可以掛多個(gè)設(shè)備。IIC 設(shè)備（絕大多數(shù)）里有個(gè)固化的地址，只有在兩條線上傳輸?shù)闹档扔?IIC 設(shè)備的固化地址時(shí)，其才會(huì)作出響應(yīng)。通常我們?yōu)榱朔奖惆?IIC 設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，基本上誰控制時(shí)鐘線（即控制SCL的電平高低變換）誰就是主設(shè)備。
A段為空閑段，在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SCL 和 SDA 保持為高電平。
B段為起始段（START CONDItiON），在進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸前，都應(yīng)該先有一個(gè)起始段。當(dāng) SCL 為高電平期間，SDA有一個(gè)從高到低的變化視為起始段。
C段為結(jié)束段（STOP CONDITION），在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，都應(yīng)該有一個(gè)結(jié)束段。當(dāng)SCL為高電平期間，SDA有一個(gè)從低到高的變化視為結(jié)束段。
D段分為兩段數(shù)據(jù)有效段（ADDRESS OR ACKNOWLEDGE）和數(shù)據(jù)修改段（DATA ALLOWED TO CHANGE）。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在 SCL 為高電平期間，SDA 不能夠發(fā)生改變，視為數(shù)據(jù)有效段；在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在 SCL 為低電平期間，SDA 可以發(fā)生改變（修改為下一個(gè)要發(fā)送的bit），視為數(shù)據(jù)修改段。
IIC的傳輸總結(jié)為：空閑時(shí)，SCL 和 SDA 都是高電平；發(fā)送信息前，首先發(fā)送起始段（SCL為高時(shí)，SDA有一個(gè)從高到低的變化）；在發(fā)送信息時(shí)，每一個(gè) SCL 脈沖，發(fā)送或者接收1bit，該bit在SCL為低電平時(shí)發(fā)生改變，在SCL為高電平時(shí)，保持穩(wěn)定；發(fā)送信息完成后，發(fā)送結(jié)束段（SCL 為高時(shí)，SDA 有一個(gè)從低到高的變化）。
SDA的數(shù)據(jù)線是雙向傳輸?shù)摹Ｔ谧x取時(shí)，SDA 從從設(shè)備到主設(shè)備；在寫入時(shí)，SDA從主設(shè)備到從設(shè)備。
在 IIC 傳輸時(shí)，為了保證通信的成功。發(fā)送方每發(fā)送8 bit 數(shù)據(jù)后，要求接收方回復(fù)一個(gè)應(yīng)答位。
應(yīng)答位為低電平有效。
EEPROM（24LC64）簡(jiǎn)介
24LC64是容量為8K*8bit（64Kbit）通信接口為IIC的EEPROM。EEPROM擁有掉電不丟失的功能，經(jīng)常用來保存一些配置信息等等。這個(gè)器件可以一次進(jìn)行最多32字節(jié)的頁寫入和一次進(jìn)行整片讀出的功能。
A0、A1、A2為用戶可配置的芯片選擇端。該管腳一般都連接電源或者地，在通信時(shí)，24LC64作為從機(jī)，主機(jī)在發(fā)送的命令中存在地址號(hào)，當(dāng)?shù)刂诽?hào)與A0、A1、A2管腳的電平相同時(shí)，該芯片視為被選中。
SDA和SCL為IIC協(xié)議中的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。
WP為寫保護(hù)端，當(dāng)連接高電平時(shí)，該芯片只能夠被讀，不能夠?qū)懭?；?dāng)連接低電平或者空置時(shí)，該芯片可以被讀寫。
24LC64的寫入方式有兩種：?jiǎn)巫止?jié)寫入和多字節(jié)寫入。
單字節(jié)寫入時(shí)序圖：
在控制字節(jié)中，1010為EEPROM的標(biāo)號(hào)；A2、A1、A0為主機(jī)發(fā)送的地址號(hào)，接收設(shè)備接收到此信息后，會(huì)與本身的A2、A1、A0相對(duì)比，相同時(shí)，視為被選中；最后1bit，0表示寫入、1表示讀出。
在高字節(jié)地址中，高三位地址無效。24LC64的地址范圍為8K，地址位13位即可。13位地址分為高五低八，在IIC中規(guī)定每次發(fā)送8bit，所以高五的前面必須發(fā)送任意3bit。
多字節(jié)寫入時(shí)序圖：
DATA BYTE 0被寫入到指定的地址中，后續(xù)的數(shù)據(jù)寫入到指定地址的后續(xù)地址中。EEPROM中每32個(gè)字節(jié)分為一塊，寫入時(shí)不能跨塊寫入。
24LC64的讀出方式有三種：當(dāng)前地址單字節(jié)讀、任意地址單字節(jié)讀和任意地址多字節(jié)讀。
當(dāng)前地址單字節(jié)讀的時(shí)序圖如下：
當(dāng)主機(jī)接收24LC64的數(shù)據(jù)后，不發(fā)送ACK，而是發(fā)送高電平。
任意地址單字節(jié)讀取時(shí)序圖，如下：
首先寫入指定地址，然后按照當(dāng)前地址讀即可。
任意地址多字節(jié)讀，時(shí)序如下：
任意地址多字節(jié)讀就是在任意地址單字節(jié)讀的時(shí)序中，接收到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，不要發(fā)送NO ACK而是發(fā)送ACK，此時(shí)從機(jī)就會(huì)繼續(xù)發(fā)送后續(xù)地址的數(shù)據(jù)，直到讀取的長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求，然后發(fā)送NO ACK以及STOP結(jié)束傳輸。
下圖為24LC64的時(shí)序參數(shù)圖。
根據(jù)時(shí)序參數(shù)，決定將IIC的速率定為50KHz。發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)改變?cè)赟CL的低電平的正中間；讀取時(shí)，在SCL高電平的正中間進(jìn)行讀取。
IIC一般用在配置或者讀取少量的信息，對(duì)于速率來說要求相對(duì)較低。
硬件介紹
在開發(fā)板上，搭載了一個(gè)24LC64。
電路原理圖如下：
A0、A1、A2都被接地，主機(jī)再發(fā)送控制字節(jié)時(shí)，需要將此三位發(fā)送低電平。
WP管腳被接地，24LC64的整個(gè)片子都可以被讀寫。
雙向IO介紹
在IIC協(xié)議中，SDA作為數(shù)據(jù)線使用，每一個(gè)SCL的脈沖，傳遞一bit的數(shù)據(jù)。在讀取時(shí)，SDA由24LC64發(fā)送，F(xiàn)PGA接收；在寫入時(shí)，SDA由FPGA發(fā)送，24LC64接收。所以IIC協(xié)議只能實(shí)現(xiàn)半雙工通信。
在硬件電路中，一般是通過三態(tài)門來進(jìn)行控制雙向IO。
此電路在FPGA的IO中也是存在的。下面來分析具體的工作原理。
三態(tài)門有三個(gè)端子，分別是輸入端（obuf），輸出端（SDA）和控制端（out_en）。工作方式為：當(dāng)out_en有效時(shí)，obuf的值就可以輸出到SDA；當(dāng)out_en無效時(shí)，obuf的值不能輸出到SDA，那么三態(tài)門就會(huì)輸出高阻態(tài)。
高阻態(tài)，字節(jié)理解為阻值特別大，也可以理解為斷開。高阻態(tài)與任何電平值相連接，所連接的線上的電平值都是和對(duì)方保持一致。在此可以延伸一下：所有的端口都是輸出，包括輸入端口在內(nèi)，也會(huì)對(duì)外呈現(xiàn)出一種狀態(tài)，所以輸入端口對(duì)外呈現(xiàn)的狀態(tài)就是高阻態(tài)。對(duì)于雙向IO來說，輸出時(shí)，正常輸出即可；輸入時(shí)，就要呈現(xiàn)為高阻態(tài)。
設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)任意地址的單字節(jié)讀寫控制器。大多數(shù)是配置或者讀取少量的信息，對(duì)于多字節(jié)的讀寫，可以采用多次單字節(jié)的讀寫完成。
設(shè)計(jì)分析
24LC64的尋址范圍為8K，地址bit共計(jì)13bit，所以需要高5bit和低8bit。在有些兼容IIC協(xié)議接口的器件中，尋址范圍較少，8bit足夠表示，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)出適合兩種尋址方式的驅(qū)動(dòng)。
SCL的實(shí)現(xiàn)采用計(jì)數(shù)器控制，根據(jù)規(guī)定好的頻率，在合適的地方進(jìn)行拉高或者拉低。由于SDA的變化都發(fā)生在SCL為高或者為低的中間，所以還需要產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖。
SDA根據(jù)協(xié)議和對(duì)應(yīng)的脈沖進(jìn)行發(fā)送對(duì)應(yīng)的協(xié)議段。
架構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)說明
本模塊命名為iic_drive。
暫不連接的端口，在后續(xù)測(cè)試時(shí)，會(huì)有其他模塊來控制或者讀取。
iic_drive設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
iic_scl采用計(jì)數(shù)器的方式實(shí)現(xiàn)。外部的時(shí)鐘為50MHz，iic_scl為100KHz，所以計(jì)數(shù)器需要記錄500個(gè)時(shí)鐘周期。
計(jì)數(shù)器由cnt_en控制。cnt_en有效時(shí)，cnt從0到500不斷循環(huán)；當(dāng)cnt_en無效時(shí)，cnt保持等于0。
iic_scl在cnt等于0至249時(shí)，保持高電平；在250至499時(shí)，保持低電平。cnt等于125時(shí)，正好是iic_scl高電平的中間，用脈沖flag_high表示；cnt等于375時(shí)，正好是iic_scl低電平的中間，用脈沖flag_low表示。
其他信號(hào)采用狀態(tài)機(jī)作為輸出。out_en為三態(tài)門控制信號(hào)，sda_obuf為三態(tài)門輸出端，drive_cnt為發(fā)送或者接收的計(jì)數(shù)器，temp為發(fā)送或者接收的中間寄存器。
狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：
設(shè)計(jì)代碼為：
RTL仿真設(shè)計(jì)
在仿真時(shí)，需要外部提供ACK。如果直接仿真的話，由于外部沒有提供ACK，導(dǎo)致一直都會(huì)重復(fù)發(fā)送一小段。在仿真中，我們自己給出ACK的難度也比較大。
24LC64的廠商幫我們解決了這個(gè)問題，他們?cè)谠斐鲞@個(gè)芯片的同時(shí)，還設(shè)計(jì)出了可以幫助我們仿真調(diào)試的verliog模型。此模型放在msim->24LC64_sim_module中，文件名字為24LC64.v。此模型的sda也是雙向IO，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)在此IO上加上拉電阻，在仿真時(shí)，我們也要模擬上拉電阻。
仿真設(shè)計(jì)如下：
pullup（iic_sda）：將iic_sda上加上拉電阻。
仿真時(shí)，在地址16’h5555（雖然高三位沒有用），寫入了8’ha；寫入完成后，又將此數(shù)據(jù)讀出。
當(dāng)對(duì)24LC64進(jìn)行寫入之后，它會(huì)進(jìn)入到一個(gè)內(nèi)部寫循環(huán)（和flash類似），在此期間，不接受任何指令。所以在仿真時(shí)，需要等待寫循環(huán)完成，時(shí)間為5ms（此參數(shù)在仿真模型中，可以進(jìn)行修改）。
寫入的仿真圖如下：
讀出的仿真圖如下：
板級(jí)測(cè)試
上述的設(shè)計(jì)在使用時(shí)會(huì)有上游控制器進(jìn)行控制，所以板級(jí)測(cè)試還需要設(shè)計(jì)控制器。在控制器中只需要某一個(gè)地址寫入數(shù)據(jù)，然后讀出即可。測(cè)試時(shí)，可以多次更換地址和數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)的正確性。
在測(cè)試時(shí)，將slave_addr、addr_sel、addr、wdata設(shè)置為定值。slave_addr為7’b1010_000，addr_sel為1’b1，addr為16’h5555，wdata為8’haa。
將上有控制器命名為test_ctrl，頂層命名為test。
test_ctrl模塊采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
test_ctrl的設(shè)計(jì)代碼如下：
test模塊負(fù)責(zé)將test_ctrl和iic_drive模塊進(jìn)行例化連接。將test模塊設(shè)置為頂層。
test模塊設(shè)計(jì)代碼如下：
板級(jí)測(cè)試采用邏輯分析儀測(cè)試。
采樣時(shí)鐘選擇外部的50MHz，采樣深度選擇32K。
觸發(fā)位置選擇post。
將iic_sda、iic_scl、test_ctrl模塊中的RD_WAIT和TESTDONE兩個(gè)狀態(tài)，共計(jì)四個(gè)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。
將RD_WAIT設(shè)置為上升沿觸發(fā)。進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)，剛剛寫入完成。
點(diǎn)擊觸發(fā)后，按一下復(fù)位鍵。
從波形圖中，可以分析出，在地址16’h5555中寫入了8’haa。
將RD_WAIT設(shè)置為donot care，將TESTDONE設(shè)置為上升沿，此時(shí)讀出剛剛完成。
觸發(fā)后，按一下復(fù)位按鍵。
可以看出在地址16’h5555的位置，讀出aa。
注意發(fā)送時(shí)，是在SCL的低電平的正中間；接收是在SCL的高電平的正中間；觀看波形時(shí)，要和標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序圖進(jìn)行對(duì)比。
證明設(shè)計(jì)正確。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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