【紫光同創(chuàng)國產(chǎn)FPGA教程】【第七章】I2C接口EEPROM實(shí)驗(yàn)

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適用于板卡型號：

PGL22G/PGL12G

1. 實(shí)驗(yàn)簡介

本實(shí)驗(yàn)通過使用開源軟件opencores上的I2C master控制器去控制I2C接口的EEPROM讀寫，練習(xí)如何有效的使用開源代碼提升開發(fā)效率。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 硬件電路

在開發(fā)板上，FPGA芯片通過I2C總線連接EEPROM 24LC04, I2C的兩根總線各上拉一個4.7K的電阻到3.3V，所以當(dāng)總線上沒有輸出時會被拉高， 24LC04的寫保護(hù)沒有使能，不然FPGA會無法寫入數(shù)據(jù)。因?yàn)樵陔娐飞螦0~A2都為低，所以24LC04的設(shè)備地址為0xA0。

開發(fā)板部分電路

2.2 I2C的總線協(xié)議和時序

I2C標(biāo)準(zhǔn)速率為100kbit/s，快速模式400kbit/s，支持多機(jī)通訊， 支持多主控模塊，但同一時刻只允許有一個主控。由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成串行總線； 每個電路和模塊都有唯一的地址。

在這里以AT24C04為例說明I2C讀寫的基本操作和時序，I2C設(shè)備的操作可分為寫單個存儲字節(jié)，寫多個存儲字節(jié)，讀單個存儲字節(jié)和讀多個存儲字節(jié)。各個操作如下圖所示。

下面對I2C總線通信過程中出現(xiàn)的幾種信號狀態(tài)和時序進(jìn)行分析。

①總線空閑狀態(tài)

I2C總線總線的SDA和SCL兩條信號線同時處于高電平時，規(guī)定為總線的空閑狀態(tài)。此時各個器件的輸出級場效應(yīng)管均處在截止?fàn)顟B(tài)，即釋放總線，由兩條信號線各自的上拉電阻把電平拉高。

②啟動信號(Start)

在時鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的啟動信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。啟動信號是由主控器主動建立的，在建立該信號之前I2C總線必須處于空閑狀態(tài)，如下圖所示。

③停止信號(Stop)

在時鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的停止信號，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。停止信號也是由主控器主動建立的，建立該信號之后，I2C總線將返回空閑狀態(tài)。

④數(shù)據(jù)位傳送

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個時鐘脈沖相對應(yīng)（或同步控制），即在SCL串行時鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。

⑤應(yīng)答信號（ACK和NACK）

I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個字節(jié)，就在時鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個應(yīng)答信號。應(yīng)答信號為低電平時，規(guī)定為有效應(yīng)答位（ACK簡稱應(yīng)答位），表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié)；

應(yīng)答信號為高電平時，規(guī)定為非應(yīng)答位（NACK），一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。對于反饋有效應(yīng)答位ACK的要求是，接收器在第9個時鐘脈沖之前的低電平期間將SDA線拉低，并且確保在該時鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。

如果接收器是主控器，則在它收到最后一個字節(jié)后，發(fā)送一個NACK信號，以通知被控發(fā)送器結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并釋放SDA線，以便主控接收器發(fā)送一個停止信號。

3. 程序設(shè)計(jì)

I2C時序雖然簡單，但是寫的不好也會出現(xiàn)很多問題，在開源網(wǎng)站http://opencores.org/上我們可以找到很多非常好的代碼，這些代碼大部分都提供詳細(xì)的文檔和仿真。俗話說，他山之石，可以攻玉，恰當(dāng)?shù)氖褂瞄_源代碼，不光能提升我們的開發(fā)效率，也能學(xué)習(xí)別人的開發(fā)思路。由于代碼大部分都是經(jīng)過很長時間反復(fù)修改，反復(fù)精煉后的，所以有些代碼理解起來可能比較困難，在不能很好的理解別人代碼的時候，最好的辦法就是仿真。

從IP core文檔得知，i2c_master_byte_ctrl模塊主要完成一個字節(jié)的讀寫，我們只需要按照I2C讀寫的要求，完成設(shè)備地址、寄存器地址、數(shù)據(jù)等讀寫即可。

i2c_master_top模塊是對i2c_master_byte_ctrl模塊的再次封裝，完成一個寄存器的讀寫，由于不同的設(shè)備寄存器可能是8bit，也可能是16bit，這里i2c_addr_2byte信號來控制寄存器地址是8位還是16位。

i2c_master_top模塊狀態(tài)機(jī)，如果是寫寄存器操作，先寫一個字節(jié)設(shè)備地址（寫操作），再寫1個字節(jié)或2個字節(jié)的寄存器地址，再寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)；如果是讀操作，先寫一個字節(jié)的設(shè)備地址（寫操作），再寫1個字節(jié)或2字節(jié)的寄存器地址，完成地址的寫入，再次寫設(shè)備地址（讀操作），然后讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。不管怎么說，程序設(shè)計(jì)都是要滿足芯片時序要求的，所以在閱讀程序之前最好先把芯片的數(shù)據(jù)手冊仔細(xì)閱讀一遍。

i2c_master_top狀態(tài)機(jī)

i2c_master_top模塊端口

i2c_eeprom_test模塊完成EEPROM的讀寫，EEPROM設(shè)備地址是A0，程序中將地址00的數(shù)據(jù)讀出，然后通過LED顯示，在KEY2 按下時，數(shù)字加一并再次寫入EEPROM并顯示出來。在I2C控制器中，代碼的大部分功能在備注中也有很多批注。

4. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

下載實(shí)驗(yàn)程序后，可以看到LED顯示一個二進(jìn)制數(shù)字，這個數(shù)字是存儲在EEPROM中00地址的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，這個時候按鍵KEY2按下，數(shù)字加一，并寫入了EEPROM，再次下載程序，可以看到直接顯示更新后的數(shù)據(jù)。

5. 使用在線調(diào)試Fabric Debugger觀察信號

使用Fabric Debugger可以非常直觀的看到程序在開發(fā)板上運(yùn)行時各個信號的變化，在本例程中添加一個Debug Core來觀察程序運(yùn)行時各數(shù)據(jù)線的變化情況。

按紅色標(biāo)記，在單擊“Inserter"：

在彈出如下界面下選擇New DebugCore Unit來新建一個Debug Core：

單擊U0：DebugCore：

會跳到參數(shù)設(shè)置界面，在"Trigger Parameters"欄中Sample Depth采樣深度自己根據(jù)需求選擇，這里選擇默認(rèn)，其它的設(shè)置保持不變。

在"Net Connections"欄中選擇Modify Connections,進(jìn)行Net修改；

彈出的界面中首先對TriggerPort欄中觀測信號關(guān)聯(lián)，在這里，選擇左側(cè)read_data,然后單擊Make Connections,可以在TriggerPort欄中看到關(guān)聯(lián)的觀測信號read_data；

以同樣的方式對Clock欄中時鐘信號關(guān)聯(lián)，選擇左側(cè)sys_clk_c,然后單擊Make Connections,可以在Clock欄中看到關(guān)聯(lián)的觀測信號sys_clk_c,然后單擊OK；

再在如下界面中單擊保存按鈕進(jìn)行保存并關(guān)閉即可。

接下來重新生成.sbit文件，雙擊Generate Bitstream，會生成帶有在線調(diào)試的DebugCore。

上面的工作準(zhǔn)備好后，接下來才是正式開始調(diào)試， 單擊Debugger（確保開發(fā)板上電并連接了下載器），

單擊JTAG 掃描按鈕，在找到后單擊OK；

右擊DEV:0MyDevice0，在下拉菜單中單擊Configure Bitstream File

再按如下圖中進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后按OK鍵；

到此，程序已下載到FPGA 中，可以在線觀察所需要的信號，選擇 Waveform，選擇觸發(fā)模式為連續(xù)，并單擊run；

可以看到read_data數(shù)據(jù)，每按一次KEY2鍵運(yùn)行一次可以看到數(shù)據(jù)增加1。