在I2C发起读/写过程之前，主设备会先发起I2C的启动（START）， 从设备的地址匹配（从设备地址写），I2C的读/写控制以及从设备应答检测的等一系列过程。由于无论是I2C读还是I2C写，该部分的操作过程都是必须的，因此把该部分内容单独作为一个模块进行设计，便于代码的重用。时序如图1：
图1
1.I2C启动部分主设备程序设计
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接口要求：
- 复位信号，系统时钟，系统时钟分频（由于I2C不同速度匹配）
- input rst,
- input sys_clk,
- input clk_en, clk_en_half,
- 从设备地址、启动信号、读/写标志（即该段程序之后的I2C 总线行为
- input [7:0] data_in, // {dev_addr[6:0], 1’b0/1’b1}
- input [1:0] op_cmd, // 2’b00 means START + dev_addr + R/W
- input op_cmd_en, // op_cmd enable , sys_clk single pulse
- I2C 总线的内部信号：由于inout信号一般只在端口使用，因此在FPGA的内部逻辑（内部模块）将会把inout（双向口）变换成input, output类型进行传递
- input sda_i,
- output sda_o,
- output sda_t,
- input scl_i,
- output scl_o,
- output scl_t,
- 握手信号：op_cmd_done 操作完成、从设备应答。当op_cmd_done产生，从设备应答后(dev_ack)同时送给上层模块。op_cmd_done 保持一个sys_clk 时钟宽度。
- output op_cmd_done, // operation finished
- output reg dev_ack//从设备是否有应答
- 复位信号，系统时钟，系统时钟分频（由于I2C不同速度匹配）
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总体接口如下：
module i2c_addr(
input sys_clk,
input [1:0] op_cmd,
input op_cmd_en,
output reg op_cmd_done,
output reg dev_ack,
input [7:0] data_in,
input clk_en,
input clk_en_half,
output reg sda_t,
output sda_o,
input sda_i,
output reg scl_t,
output scl_o,
input scl_i,
input rst
);
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主体程序设计
该部分程序实现的主体内容如下：初始化，在IDLE状态下检测启动请求（op_cmd = 2’b00），对从设备的地址与读写控制信号移位进行串行化，等待从设备应答。串行化期间对SCL，SDA的要求是，在SCL为高电平期间SDA保持不变（start除外），SDA的任何变化都在SCL为低电平的时段发生。程序的流程图如下：
图2
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程序代码如下：
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`timescale 1ns / 1ps module i2c_addr( input sys_clk, input [1:0] op_cmd, input op_cmd_en, output reg op_cmd_done, output reg dev_ack, input [7:0] data_in, input clk_en, input clk_en_half, output reg sda_t, output sda_o, input sda_i, output reg scl_t, output scl_o, input scl_i, input rst ); /* op_cmd[1:0] ： 00 send start + address + wr/rd （data_in) 01 send data 10 receive data (data_out) 11 send stop flag */ assign scl_o = 1'b0; assign sda_o = 1'b0; reg [7:0] i2c_st; reg [2:0] sft_count; reg [7:0] i2c_wr_data; //将需要写的数据存入本地寄存器中 always@(posedge sys_clk or posedge rst) if(rst) begin op_cmd_done <= 0; dev_ack <= 0; scl_t <= 1'b1; sda_t <= 1'b1; sft_count <= 7; i2c_wr_data <= 0; i2c_st <= 0; end else case(i2c_st) 0: begin sft_count <= 7; op_cmd_done <= 1'b0; dev_ack <= 0; scl_t <= scl_i; sda_t <= sda_i; i2c_wr_data <= data_in; if({op_cmd_en,op_cmd[1:0]} == 3'b100) i2c_st <= 1; // start flag end 1: //start flag begin if(clk_en) begin scl_t <= 1'b1; sda_t <= 1'b1; i2c_st <= 2; end end 2: begin scl_t <= 1'b1; if(clk_en) begin sda_t <= 1'b0; i2c_st <= 3; end end 3: begin if(clk_en) begin scl_t <= 1'b0; i2c_st <= 4; end end 4: //write begin if(clk_en) begin scl_t <= 1'b0; i2c_st <= 5; end end 5: begin if(clk_en_half) sda_t <= i2c_wr_data[sft_count]; if(clk_en) begin scl_t <= 1'b1; sft_count <= sft_count - 1; i2c_st <= 4; if( sft_count == 0 ) i2c_st <= 6; end end 6: begin if(clk_en) begin scl_t <= 1'b0; i2c_st <= 7; end end 7: //read ack/nack from device begin if( clk_en_half ) sda_t <= 1'b1; if(clk_en) begin scl_t <= 1'b1; dev_ack <= sda_i; i2c_st <= 8; end end 8: begin if(clk_en) begin scl_t <= 1'b0; op_cmd_done <= 1'b1; i2c_st <= 9; end end 9: begin op_cmd_done <= 1'b0; if(clk_en) begin scl_t <= 1'b1; i2c_st <= 0; end end default:i2c_st <= 0; endcase endmodulefsfsf |
- iic_phy 模块代码
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`timescale 1ns / 1ps module iic_phy( input sys_clk, input [1:0] op_cmd, input op_cmd_en, output reg op_cmd_done, output reg dev_ack, input master_ack, input [7:0] data_in, output [7:0] data_out, input clk_en, input clk_en_half, output reg sda_t, output sda_o, input sda_i, output reg scl_t, output scl_o, input scl_i, input rst ); /* op_cmd[1:0] ： 00 send start + address + wr/rd （data_in) 01 send data 10 receive data (data_out) 11 send stop flag */ wire dev_ack_addr; wire dev_ack_wr; always @(*) begin case(op_cmd) 2'b00: dev_ack = dev_ack_addr; 2'b01: dev_ack = dev_ack_wr; default: ; endcase end wire op_cmd_done_addr; wire op_cmd_done_wr; wire op_cmd_done_read; wire op_cmd_done_stop; always @(*) begin case(op_cmd) 2'b00: op_cmd_done = op_cmd_done_addr; 2'b01: op_cmd_done = op_cmd_done_wr; 2'b10: op_cmd_done = op_cmd_done_read; 2'b11: op_cmd_done = op_cmd_done_stop; endcase end wire sda_t_addr; wire sda_t_wr; wire sda_t_read; wire sda_t_stop; wire scl_t_addr; wire scl_t_wr; wire scl_t_read; wire scl_t_stop; always @(*) begin case(op_cmd) 2'b00: begin sda_t = sda_t_addr; scl_t = scl_t_addr; end 2'b01: begin sda_t = sda_t_wr; scl_t = scl_t_wr; end 2'b10: begin sda_t = sda_t_read; scl_t = scl_t_read; end 2'b11: begin sda_t = sda_t_stop; scl_t = scl_t_stop; end endcase end i2c_addr i2c_addr_inst ( .sys_clk (sys_clk), .op_cmd (op_cmd), .op_cmd_en (op_cmd_en), .op_cmd_done (op_cmd_done_addr), .dev_ack (dev_ack_addr), .data_in (data_in), .clk_en (clk_en), .clk_en_half (clk_en_half), .sda_t (sda_t_addr), .sda_i (sda_i), .scl_t (scl_t_addr), .scl_i (scl_i), .rst (rst) ); assign sda_o = 1'b0; assign scl_o = 1'b0; endmodule |
- 将设计的模块例化，并组装到 iic_engine的模块中，这样就可以使用SCl_en模块，充分利用以设计的成果，逐步组装成程序代码及接口如下：
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`timescale 1ns / 1ps module iic_engine # ( parameter DIV_ADDR = 32'hFFFF_0001, parameter DEV_ADDR = 7'b101_0000, parameter CLK_F = 100_000_000, parameter SPEED = 100_000 ) ( input sys_clk, inout SDA, inout SCL, input [31:0] div_addr, input [31:0] div_in, input div_en, input div_rd, output [31:0] div_dout, input [1:0] op_cmd, input op_cmd_en, output op_cmd_done, output dev_ack, input master_ack, input [7:0] data_in, output [7:0] data_out, output i2c_error, input rst ); wire sda_i; wire sda_o; wire sda_t; wire scl_o; wire scl_t; wire scl_i; assign SDA = sda_t ? 1'bz: sda_o; assign sda_i = SDA; assign SCL = scl_t ? 1'bz: scl_o; assign scl_i = SCL; wire clk_en; wire clk_en_half; //=========================== i2c clock baudtick scl_en # ( .DIV_ADDR ( DIV_ADDR ), .CLK_F ( CLK_F ), .SPEED ( SPEED ) ) scl_en_inst ( .sys_clk ( sys_clk ), .div_addr ( div_addr ), .div_in ( div_in ), .div_en ( div_en ), .clk_en ( clk_en ), .div_rd ( div_rd ), .div_dout ( div_dout ), .clk_en_half ( clk_en_half ), .rst ( rst ) ); //===============================iic phy iic_phy iic_phy_inst( .sys_clk (sys_clk), .op_cmd ( op_cmd ), .op_cmd_en ( op_cmd_en ), .op_cmd_done ( op_cmd_done ), .dev_ack ( dev_ack ), .master_ack ( master_ack ), .data_in ( data_in ), .data_out ( data_out ), .clk_en ( clk_en ), .clk_en_half ( clk_en_half ), .sda_t ( sda_t ), .sda_o ( sda_o ), .sda_i ( sda_i ), .scl_t ( scl_t ), .scl_o ( scl_o ), .scl_i ( scl_i ), .rst ( rst ) ); endmodule |
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仿真程序设计：
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`timescale 1ns / 1ps module tb_dev_addr(); parameter PERIOD = 10 ; parameter FREQUANCY = 100000000; //100M parameter SPEED = 100000; // 100K parameter SPEED1 = 400000; //400K parameter DEV_ADDR = 7'b101_0001; reg inclk; always #( PERIOD / 2 ) inclk = ~inclk; //133M wire sys_clk = inclk; reg rst; // reg [ 31: 0 ] div_in; //for baudrate register wire [ 31: 0 ] div_addr = 32'hFFFF_0001; reg div_en = 0; reg [1:0] op_cmd = 0; reg op_cmd_en = 0; wire op_cmd_done; wire dev_ack; reg master_ack = 0; reg [7:0] data_in = 0; wire [7:0] data_out; reg i2c_error = 0; initial begin rst = 1'b1; inclk = 0; #50 rst = 1'b0; end reg [3:0] st = 0; reg [31:0] cnt = 0; always@( posedge sys_clk or posedge rst ) if ( rst ) begin i2c_error <= 0; cnt <= 0; st <= 0; op_cmd_en <= 1'b0; op_cmd <= 0; end else begin case ( st ) 0: begin i2c_error <= 0; op_cmd <= 2'b00; op_cmd_en <= 0; if(cnt == 5000) begin cnt <= 0; st <= 1; end else cnt <= cnt + 1; end 1: begin data_in <= {DEV_ADDR, 1'b0}; op_cmd <= 2'b00; op_cmd_en <= 1; st <= 2; end 2: begin op_cmd_en <= 0; if(op_cmd_done) begin if(dev_ack) i2c_error <= 1; st <= 3; end end 3: begin st <= 3; end default: st <= 0; endcase end wire SDA; wire SCL; iic_engine #( .CLK_F ( FREQUANCY ) , //default with 100Mhz .SPEED ( SPEED ) //default speed 100k ) iic_engine_inst ( .sys_clk ( sys_clk ), .div_addr ( div_addr ), .div_in ( div_in ), .div_en ( div_en ), .op_cmd ( op_cmd ), .op_cmd_en ( op_cmd_en ), .op_cmd_done( op_cmd_done ), .dev_ack ( dev_ack ), .master_ack ( master_ack ), .data_in ( data_in ), .data_out ( data_out ), .SDA ( SDA ), .SCL ( SCL ), .rst ( rst ) ); PULLUP SDA_inst ( .O(SDA) ); PULLUP SCL_inst ( .O(SCL) ); AT24C02D # (.SLAVE_ADDRESS(DEV_ADDR)) AT24C02D_inst ( .SDA (SDA), .SCL (SCL), .WP (0) ); endmodule |
仿真程序中使用at24c02D IP ，这个IP 是由厂家提供的，这里我们只是使用这个I2C EEPROM ip 核。 IP核具体信息，可以参考文章https://www.microchip.com/en-us/product/AT24C02D
图3
注意，厂家提供的verilog IP ，目前只能在vivado下或者是questaSim 下仿真。 在quartus下或者在modelsim，questaSim_starter下不能仿真。（有些仿真语法不支持）。
在仿真工程中，我们主要学习三态门如何在仿真程序中仿真。
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仿真结果
仿真波形如图4
图4
从图4可以看出在写阶段串行了1010_001（地址）及0（写控制）。24c02 iic设备应答。在I2C PHY层 Verilog程序结构化设计中介绍过op_cmd 定义：op_cmd[1:0] = 2’b00；代表start + write + dev_ack。 op_cmd[1:0] 和op_cmd_en 同时由仿真程序发出，当iic_phy完成相关操作后，返回op_cmd_done 信号， 代表当前操作命令（op_cmd）完成。