在实现I2c PHY层设计后，可以实现4种PHY层的操作： 1）START + ADDR + WR/RD +ACK/NACK；2）WR_DATA + ACK/NACK；3）RD_DATA + ACK/NACK；4）STOP。之后就需要上层模块将PHY层组装起啦，根据用户指令，cmd模块分别发送这4种操作，完成I2c 协议。cmd 层设计结构如下：
1 cmd 层结构设计
图1
如图1所示， 在phy层基础上设计iic_cmd 层， 这层主要是用来将用户发来的数据解析为phy层所识别的4种操作，完成相应的i2c 总线协议。iic_cmd 层需要和上层应用进行数据交互（握手），同时将上层的数据翻译为phy层操作命令。 这里就需要定义和上层的接口协议了。
图2
如图2 所示， iic_cmd层和上层应用使用一个接口协议，用来确定上层数据的格式。分别为写I2C 数据格式和分别为读I2C 数据格式。
- 写I2C 数据格式：总包长(1byte) + 完成I2c协议后等待时间(ms 单位， 1byte） + 设备地址 + 写 （1 byte） + 数据 。。。。
- 读I2C 数据格式：总包长(1byte) + 完成I2c协议后等待时间(ms 单位， 1byte） + 设备地址 + 读 （1 byte） + 从设备种读取多收字节数据（1byte） + 设备存储地址（可选 ，1-2 bytes）
packet length : 数据包第1字节，标识当前包的总长度。
delay time : 数据包第2字节，表示当前I2c 操作后， 等待多少ms，再进行下次操作。
slave addr + op: 数据包第3字节，标识当前操作的外设地址,同时包括读写信息, OP = 0 ,表示写; OP = 1, 表示 读。
data/reg：写数据包第4字节，可以是设备存贮地址或者是写数据。
read data length：读数据包第4字节，表示准备从设备种读取多少个字节。 如果为0， 表示当前读操作无效。
data：写数据包第5 – n字节，表示有多少数据需要写入设备中。 写入数据总量可以通过 packet length – 3 计算出来。
reg0,reg1：写数据包第5 – 6字节，可选项，如果有，代表从设备的哪个存储地址开始读取数据，如果没有，表示从当前地址读取设备数据。
iic_cmd 层就是接收到以上包协议，根据协议，分析出控制器要对设备进行那些操作。
2 iic_cmd 模块解析
iic_cmd 模块主要是通过一个状态机解析数据包格式，得到相关的iic phy 所需要的信息，完成对phy的相关操作，最后在根据协议，是否需要延迟，延迟多长时间等。模块与上层应用的数据接口如下：
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// app interface input [7:0] pkg_din, input pkg_din_vld, output reg pkg_din_ack = 0, output reg pkg_end = 0, output reg [7:0] pkg_dout = 0, output reg pkg_dout_vld = 0, |
上层应用使用pkg_din_vld 发送完整数据包， pkg_din_vld 上升沿和pkg_din 同时由上层应用发出。
iic_cmd 得到pkg_din_vld 信号，抓取pkg_din 信息（数据包第1字节），返回
图3
pkg_din_vld: 数据输入包络线， 从第一个数据输入开始，知道cmd 层返回pkg_end 信号后，结束。
pkg_din： 应用层发给cmd层的数据。
pkg_din_ack：每当cmd层得到一个数据后， 就产生一个ack信号，通知上层应用程序，可以发送下一个数据了。
pkg_end：当前包结束标志，cmd层发出，通知上层应用程序，当前包处理结束。
pkg_dout: cmd模块输出，从phy层得到的数据被发送到应用层。
pkg_dout_vld: 指示pkg_dout 数据有效，只有一个时钟宽度。
状态机接口如下：
图4
黄色部分： 读取应用层数据，进行写操作
灰色部分：读操作，读取应用层数据， 确定读取设备中的memory 地址
绿色部分：读操作，读取设备中的数据。
iic_cmd代码部分：
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`timescale 1ns / 1ps module iic_cmd # ( parameter CLK_F = 100_000_000 ) ( input sys_clk, // phy interface output reg [1:0] op_cmd, output reg op_cmd_en, input op_cmd_done, output reg master_ack, input dev_ack, output reg [7:0] data_in, input [7:0] data_out, // app interface input [7:0] pkg_din, input pkg_din_vld, output reg pkg_din_ack = 0, output reg pkg_end = 0, output reg [7:0] pkg_dout = 0, output reg pkg_dout_vld = 0, output reg i2c_error = 0, input rst ); localparam I2C_OP_START = 2'b00; localparam I2C_OP_WR_DATA = 2'b01; localparam I2C_OP_RD_DATA = 2'b10; localparam I2C_OP_STOP = 2'b11; //============================================== localparam MS_CNT = CLK_F/1000; reg ms_flag = 0; reg [23:0] ms_cnt = 0; always @ (posedge sys_clk) if(pkg_end) begin ms_cnt <= 0; ms_flag <= 0; end else begin ms_flag <= 0; if(ms_cnt == MS_CNT - 1) begin ms_flag <= 1; ms_cnt <= 0; end else ms_cnt <= ms_cnt + 1; end reg [7:0] reg0 = 0; reg [7:0] reg1 = 0; reg [7:0] pkg_len = 0; reg [7:0] read_len = 0; reg [7:0] pkg_delay = 0; reg [6:0] dev_addr = 0; reg [31:0] cnt; reg [4:0] st = 0; //====================== always@(posedge sys_clk or posedge rst) if(rst) begin cnt <= 0; op_cmd <= 0; op_cmd_en <= 0; master_ack <= 0; pkg_din_ack <= 1'b0; pkg_dout_vld <= 1'b0; i2c_error <= 0; st <= 0; end else case(st) 0: begin op_cmd <= 0; op_cmd_en <= 1'b0; i2c_error <= 0; cnt <= 0; pkg_dout_vld <= 1'b0; pkg_din_ack <= 1'b0; pkg_end <= 0; if(pkg_din_vld) // waiting for app start begin pkg_len <= pkg_din; // get package length from app layer pkg_din_ack <= 1; st <= 1; end end 1: begin pkg_din_ack <= 0; if(pkg_len < 4 ) begin pkg_end <= 1; st <= 21; end else st <= 2; end 2: begin pkg_delay <= pkg_din; // get delay time after the transaction finished pkg_din_ack <= 1; st <= 3; end 3: begin pkg_din_ack <= 0; st <= 4; end 4: begin cnt <= 3; if(pkg_din[0]) // read begin dev_addr <= pkg_din[7:1]; // get device address pkg_din_ack <= 1; st <= 6; end else //write begin op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_START; data_in <= pkg_din; // device_addr + wr/rd pkg_din_ack <= 1; st <= 5; end end //========================= write 5: // write data begin op_cmd_en <= 1'b0; pkg_din_ack <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin if(!dev_ack) begin if(cnt == pkg_len) // jump to stop if the data had been sent st <= 19; else begin pkg_din_ack <= 1'b1; op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_WR_DATA; data_in <= pkg_din; // send data to device cnt <= cnt + 1; end end else begin i2c_error <= 1'b1; st <= 19; // jump to stop end end end //=========================read 6: begin pkg_din_ack <= 0; st <= 7; end 7: begin cnt <= 0; read_len <= pkg_din; // get read device length pkg_din_ack <= 1; if(pkg_din == 0) // read device length = 0 means no read operation begin pkg_end <= 1; st <= 21; end else st <= 8; end 8: begin pkg_din_ack <= 0; if(pkg_len == 4) //restart, random read device st <= 16; else st <= 9; end 9: begin reg0 <= pkg_din; // device memory address 1 pkg_din_ack <= 1; if(pkg_len == 5) st <= 12; else st <= 10; end 10: begin pkg_din_ack <= 0; st <= 11; end 11: begin reg1 <= pkg_din; // device memory address 2 pkg_din_ack <= 1; st <= 12; end 12: // start read transaction from memory address begin pkg_din_ack <= 0; op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_START; data_in <= {dev_addr,1'b0}; st <= 13; end 13: begin op_cmd_en <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin if(!dev_ack) begin op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_WR_DATA; data_in <= reg0; if(pkg_len == 6) st <= 14; else st <= 15; end else begin i2c_error <= 1'b1; st <= 19; // 从设备ack/nack 错误跳转状态 end end end 14: begin op_cmd_en <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin if(!dev_ack) begin op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_WR_DATA; data_in <= reg1; st <= 15; end else begin i2c_error <= 1'b1; st <= 19; // 从设备ack/nack 错误跳转状态 end end end 15: begin op_cmd_en <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin if(!dev_ack) st <= 16; else begin i2c_error <= 1'b1; st <= 19; // 从设备ack/nack 错误跳转状态 end end end 16: //restart begin master_ack <= 1'b0; cnt <= 0; op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_START; data_in <= {dev_addr,1'b1}; st <= 17; end 17: // read data begin op_cmd_en <= 1'b0; pkg_dout_vld <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_RD_DATA; cnt <= cnt + 1; if(cnt != 0) // I2C_OP_RD_DATA respond begin pkg_dout <= data_out; pkg_dout_vld <= 1'b1; end if(cnt == (read_len - 1) ) // the last read transaction need a NACK begin cnt <= 0; master_ack <= 1'b1; st <= 18; end end end 18: begin op_cmd_en <= 1'b0; pkg_dout_vld <= 1'b0; if(op_cmd_done) begin pkg_dout <= data_out; pkg_dout_vld <= 1'b1; st <= 19; end end //=========== stop 19: begin pkg_dout_vld <= 1'b0; op_cmd_en <= 1'b1; op_cmd <= I2C_OP_STOP; i2c_error <= 1'b0; st <= 20; end 20: begin op_cmd_en <= 1'b0; cnt <= 0; if(op_cmd_done) begin pkg_end <= 1; st <= 21; end end 21: begin pkg_end <= 0; if(cnt == pkg_delay) st <= 0; else if(ms_flag) cnt <= cnt + 1; end default:st <= 0; endcase endmodule |
3 仿真
图5
如图5所示，当应用层发送 0c 05 a0 00 00 01 02 03 04 05 06 07 （写设备）, 当cmd层接收到应用层的数据后，cmd层发送pkg_din_ack 给应用层；当整包结束后，cmd层发送pkg_end 给应用层，应用层撤销pkg_din_vld。
图6
当应用层发送：04 01 a1 02 （随机读设备），cmd层接收到应用层的数据后，读设备，读出的数据通过pkg_dout, pkg_dout_vld 返回应用层。