I2C通信模塊的設(shè)計和“AT24C64 型號的EEPROM 芯片通信”實踐

# 期望通過本文掌握I2C模塊的FPGA和軟件設(shè)計和實踐 #

1、I2C(Inter－Integrated Circuit)通信協(xié)議及FPGA模塊設(shè)計

I2C 是很常見的一種總線協(xié)議，使用兩條線在主控制器和從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。一條是 SCL(串行時鐘線)，另外一條是 SDA(串行數(shù)據(jù)線)。這兩條線都需要接上拉電 阻。因為僅有一根數(shù)據(jù)線，所以I2C通信是半雙工的。

I2C 總線有標(biāo)準(zhǔn)模式(100kb/s)和快速模式(400kb/s)兩種。

“總線”指多個設(shè)備共用的信號線。在一個I2C總線中，支持多個從設(shè)備。不同的從設(shè) 備有不同的器件地址，這樣 I2C 主控制器就可以通過 I2C 設(shè)備的器件地址訪問指定的 I2C 設(shè)備了，一個I2C總線連接多個 I2C 設(shè)備，如下所示，

I2C協(xié)議基本術(shù)語

起始信號： I2C 通信起始標(biāo)志。主機(jī)告訴從機(jī)，要開始進(jìn)行 I2C 通信了。在 SCL 為高電平期間， SDA 出現(xiàn)下降沿就表示產(chǎn)生起始信號。起始信號產(chǎn)生后總線處于占用狀態(tài)。

停止信號：I2C 停止通信的標(biāo)志。在 SCL 為高電平期間， SDA 出現(xiàn)上升沿就表示為停止信號。停止信號產(chǎn)生后總線被釋放，處于空閑狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳輸：I2C 總線在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時要保證在 SCL 高電平期間， SDA 上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，因此 SDA 上的數(shù)據(jù)變化只能在 SCL 低電平期間發(fā)生。

數(shù)據(jù)傳送時，先傳送最高位，后傳送低位。

應(yīng)答信號：當(dāng) I2C 主機(jī)發(fā)送完 8bit 數(shù)據(jù)后會將 SDA 設(shè)置為輸入狀態(tài)，等待 I2C

從機(jī)應(yīng)答，也就是等到 I2C 從機(jī)告訴主機(jī)它接收到 8bit 數(shù)據(jù)了。

應(yīng)答信號是由從機(jī)發(fā)出的，主機(jī)需要提供應(yīng)答信號所需的時鐘。主機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)以后的下一個時鐘信號就是給應(yīng)答信號使用的。從機(jī)通過將 SDA 拉低來表示發(fā)出應(yīng)答信號(ACK ，低有效)，表示通信成功，否則表示通信失敗(NACK)。

設(shè)計一個 I2C 模塊，要求如下所示，

• • 支持總線仲裁丟失檢測；
  • 支持總線忙狀態(tài)檢測；
  • 支持不同的 I2C 通信模式：
  • 標(biāo)準(zhǔn)模式(100kHz)；
  • 快速模式(400kHz)；
  • 支持產(chǎn)生起始、終止、重復(fù)起始和應(yīng)答信息；
  • 支持起始、終止和重復(fù)起始檢測；
  • 支持 7 位尋址模式；
  • 支持中斷；

主要包括 8 個 8 位寬的寄存器，如下所示

• • I2C 分頻值低字節(jié)寄存器 I2C 分頻值高字節(jié)寄存器 I2C 控制寄存器
  • I2C 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器
  • I2C 接受數(shù)據(jù)寄存器
  • I2C 命令寄存器
  • I2C 狀態(tài)寄存器
  • I2C 總線死鎖時間寄存器

根據(jù) I2C 協(xié)議，我們需要設(shè)計一個狀態(tài)機(jī)，對應(yīng) I2C 的通信過程，各個狀態(tài)如下所示，

根據(jù) I2C 寄存器的配置以及狀態(tài)完成標(biāo)志進(jìn)行上述狀態(tài)的切換，如下所示(僅展示部分代碼)，

每個狀態(tài)都需要持續(xù)多個周期，所以針對每個狀態(tài)細(xì)分了幾個子狀態(tài)，如下所示，

I2C 有 2 個外部接口，分別是 I2C_SCL I2C_SDA 。對于 I2C_SCL ，這里我們只設(shè)計 I2C 主模式，所以對于 FPGA 來說， I2C_SCL 始終是輸出。對于 I2C_SDA ，在主模式下，在接收響應(yīng)的狀態(tài)下是輸入，其他情況下為輸出。為了便于接口管理，我們將 I2C_SCL I2C_SDA 都設(shè)計為 IOBUF 。如下所示，

主機(jī)讀寫數(shù)據(jù)的時序操作如下所示，

主機(jī)寫數(shù)據(jù)

1. 主機(jī)操作命令寄存器，使能開始命令，使 I2C 總線發(fā)送開始信號。
2. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入從機(jī)地址 + 讀寫位，決定訪問哪個從機(jī)。這是 一個8位的數(shù)據(jù)，其中高 7 位是從機(jī)地址，最后 1 位是讀寫位。 1 表示讀操作，0 表示寫操作（對主機(jī)而言）。這里讀寫位為 0 。
3. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
4. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
5. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入從機(jī)存儲地址，決定待發(fā)送數(shù)據(jù)存儲在從機(jī)哪里。
6. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
7. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
8. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入 8 bit 的待發(fā)送數(shù)據(jù)。
9. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
10. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
11. 重復(fù)步驟 8 到 10，不斷向從機(jī)寫數(shù)據(jù)；
12. 主機(jī)操作命令寄存器，使能結(jié)束命令，使 I2C 總線結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)。
13. 每次傳輸結(jié)束后需要延時，保證下次能正常開始傳輸。

主機(jī)讀數(shù)據(jù)

1. 主機(jī)操作命令寄存器，使能開始命令，使 I2C 總線發(fā)送開始信號。
2. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入從機(jī)地址 + 讀寫位，決定訪問哪個從機(jī)。這是 一個8位的數(shù)據(jù)，其中高 7 位是從機(jī)地址，最后 1 位是讀寫位。 1 表示讀操作，
   0 表示寫操作（對主機(jī)而言）。這里讀寫位為 0 。
3. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
4. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
5. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入從機(jī)存儲地址，主機(jī)將會從該地址讀取數(shù)據(jù)。
6. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
7. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
8. 主機(jī)操作命令寄存器，使能開始命令（這種情況是重復(fù)起始），使 I2C 總線發(fā)送開始信號。
9. 主機(jī)操作發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寫入從機(jī)地址 + 讀寫位。這里讀寫位為 1。
10. 主機(jī)操作命令寄存器，使能寫命令，使 I2C 總線開始傳輸數(shù)據(jù)。
11. 主機(jī)讀取狀態(tài)寄存器的 TIP 位，以確保命令執(zhí)行完畢。
12. 主機(jī)操作命令寄存器，使能讀命令和應(yīng)答命令，使 I2C 總線開始接收數(shù)據(jù)。
13. 主機(jī)操作接收數(shù)據(jù)寄存器，讀取接收到的 8 bit 的數(shù)據(jù)。
14. 重復(fù)步驟 12 到 13，不斷從從機(jī)讀數(shù)據(jù)；
15. 當(dāng)主機(jī)需要停止從從機(jī)讀數(shù)據(jù)時，操作命令寄存器，使能讀命令，但不使能應(yīng)答命令，讀取最后一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

我們可以將 I2C 模塊作為一個 APB 外設(shè)，掛在 APB 總線上。那么就需要設(shè)計一個 APB 接口來對寄存器進(jìn)行讀寫操作。我們需要對每個 APB 接口分配一個地址，這樣才能通過譯碼電路區(qū)分開來不同的 APB 。在 config.h 文件中定了 9 路 APB 地址，默認(rèn)使用 APB0 作為 GPIO ，現(xiàn)在我們?yōu)?I2C 模塊分配 APB5 ，對應(yīng)地址為 0xbfe90000 ，如下所示，

最后實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示，

在頂層文件 godson_mcu_top.v 中例化我們設(shè)計的模塊，如下所示，

在約束文件中，將例化好的 I2C 的輸出引腳與原理圖上的合適引腳進(jìn)行連接即可，如下所示，

2. 軟件設(shè)計，基于 I2C 模塊與 AT24C64 的EEPROM 芯片通信

既然已經(jīng)設(shè)計好了硬件電路，我們就可以進(jìn)行軟件程序的編寫了。在硬件 I2C 模塊設(shè)計過程中我們?yōu)?APB 分配的地址是 0xbfe90000 ，并且 I2C 相關(guān)寄存器的偏移地址是 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04，所以軟件上需要對應(yīng)好。一個不錯的方法是用結(jié)構(gòu)體指針來訪問寄存器。由于這個結(jié)構(gòu)體指針使用頻率很高，所以通過宏定義進(jìn)行重命名 (I2C)，如下所示，

編寫的函數(shù)聲明如下所示，

然后可以基于 I2C 相函數(shù)編寫 I2C 讀寫 AT24C64 的函數(shù)，如下所示，

返回值：無
說 明：無
****************************************************************/ void AT24CXX_WriteByte(uint16_t u16Addr, uint8_t u8Data)
{
soc_I2C_GenerateSTART(ENABLE);// 起始信號 soc_I2C_SendData(DEV_ADDR | WRITE_CMD);// 器件尋址+讀/寫選擇 soc_I2C_wait();
soc_I2C_SendData((uint8_t)((u16Addr >> 8) & 0xFF)); soc_I2C_wait();
soc_I2C_SendData((uint8_t)(u16Addr & 0xFF)); soc_I2C_wait();
soc_I2C_SendData(u8Data); soc_I2C_wait(); soc_I2C_GenerateSTOP(ENABLE);// 停止信號
soc_I2C_delay(20);// 需要延時 2u ，保證下次能正常開始傳輸
}
/****************************************************************
函數(shù)名：x24Cxx_ReadByte
功 能：讀一個字節(jié)
參 數(shù)：u16Addr要讀取的地址
返回值：u8Data讀出的數(shù)據(jù)
說 明：無
****************************************************************/ uint8_t AT24CXX_ReadByte(uint16_t u16Addr)

{

uint8_t u8Data = 0; soc_I2C_GenerateSTART(ENABLE);// 起始信號

soc_I2C_SendData(DEV_ADDR | WRITE_CMD);// 器件尋址+讀/寫選擇

這里需要注意的是，對芯片完成單字節(jié)寫入或者頁面寫入命令后需要延時 10ms 。因為設(shè)備在此期間將不會對新的命令作出響應(yīng)。延時之后再進(jìn)行讀命令才可以讀到剛寫入的數(shù)據(jù)。

我們可以在 main.c 中調(diào)用相應(yīng)函數(shù)驗證 I2C 通信，如下所示，