【紫光同创国产FPGA教程】【第七章】I2C接口EEPROM实验

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适用于板卡型号：

PGL22G/PGL12G

1. 实验简介

本实验通过使用开源软件opencores上的I2C master控制器去控制I2C接口的EEPROM读写，练习如何有效的使用开源代码提升开发效率。

2. 实验原理

2.1 硬件电路

在开发板上，FPGA芯片通过I2C总线连接EEPROM 24LC04, I2C的两根总线各上拉一个4.7K的电阻到3.3V，所以当总线上没有输出时会被拉高， 24LC04的写保护没有使能，不然FPGA会无法写入数据。因为在电路上A0~A2都为低，所以24LC04的设备地址为0xA0。

开发板部分电路

2.2 I2C的总线协议和时序

I2C标准速率为100kbit/s，快速模式400kbit/s，支持多机通讯， 支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控。由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线； 每个电路和模块都有唯一的地址。

在这里以AT24C04为例说明I2C读写的基本操作和时序，I2C设备的操作可分为写单个存储字节，写多个存储字节，读单个存储字节和读多个存储字节。各个操作如下图所示。

下面对I2C总线通信过程中出现的几种信号状态和时序进行分析。

①总线空闲状态

I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

②启动信号(Start)

在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的电平被拉低（即负跳变），定义为I2C总线总线的启动信号，它标志着一次数据传输的开始。启动信号是由主控器主动建立的，在建立该信号之前I2C总线必须处于空闲状态，如下图所示。

③停止信号(Stop)

在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，使得SDA返回高电平（即正跳变），称为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。停止信号也是由主控器主动建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。

④数据位传送

在I2C总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在SCL串行时钟的配合下，在SDA上逐位地串行传送每一位数据。进行数据传送时，在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，低电平为数据0，高电平为数据1。只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。

⑤应答信号（ACK和NACK）

I2C总线上的所有数据都是以8位字节传送的，发送器每发送一个字节，就在时钟脉冲9期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示接收器已经成功地接收了该字节；

应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位ACK的要求是，接收器在第9个时钟脉冲之前的低电平期间将SDA线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。

如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个NACK信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放SDA线，以便主控接收器发送一个停止信号。

3. 程序设计

I2C时序虽然简单，但是写的不好也会出现很多问题，在开源网站http://opencores.org/上我们可以找到很多非常好的代码，这些代码大部分都提供详细的文档和仿真。俗话说，他山之石，可以攻玉，恰当的使用开源代码，不光能提升我们的开发效率，也能学习别人的开发思路。由于代码大部分都是经过很长时间反复修改，反复精炼后的，所以有些代码理解起来可能比较困难，在不能很好的理解别人代码的时候，最好的办法就是仿真。

从IP core文档得知，i2c_master_byte_ctrl模块主要完成一个字节的读写，我们只需要按照I2C读写的要求，完成设备地址、寄存器地址、数据等读写即可。

i2c_master_top模块是对i2c_master_byte_ctrl模块的再次封装，完成一个寄存器的读写，由于不同的设备寄存器可能是8bit，也可能是16bit，这里i2c_addr_2byte信号来控制寄存器地址是8位还是16位。

i2c_master_top模块状态机，如果是写寄存器操作，先写一个字节设备地址（写操作），再写1个字节或2个字节的寄存器地址，再写一个字节的数据；如果是读操作，先写一个字节的设备地址（写操作），再写1个字节或2字节的寄存器地址，完成地址的写入，再次写设备地址（读操作），然后读取一个字节的数据。不管怎么说，程序设计都是要满足芯片时序要求的，所以在阅读程序之前最好先把芯片的数据手册仔细阅读一遍。

i2c_master_top状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
clk_div_cnt	in	I2C时钟分频因子，等于系统时钟频率/（5 * I2C时钟频率） - 1。例如50Mhz系统时钟，100Khz的I2C，配置为99，400Khz的I2C，配置为24。
scl_pad_i	in	I2C时钟数据输入，本实验可忽略
scl_pad_o	out	I2C时钟输出
scl_padoen_o	out	I2C时钟输出使能，低有效，I2C外部有上拉电阻，如果输出高阻态，则会被拉到高电平，在本实验中，高电平输出时输出高阻
sda_pad_i	in	I2C数据输入
sda_pad_o	out	I2C数据输出
sda_padoen_o	out	I2C数据输出使能，低有效。在本实验中，高电平输出时输出高阻。
i2c_addr_2byte	in	寄存器地址是8位还是16位，1：16位，0:8位
i2c_read_req	in	I2C寄存器读请求
i2c_read_req_ack	out	I2C寄存器读请求应答
i2c_write_req	in	I2C寄存器写请求
i2c_write_req_ack	out	I2C寄存器写请求应答
i2c_slave_dev_addr	in	I2C设备地址，8bit，最低位忽略，有效数据位是高7位。
i2c_slave_reg_addr	in	寄存器地址，8位地址时，低8位有效
i2c_write_data	in	写寄存器数据
i2c_read_data	out	读寄存器数据
error	out	设备无应答错误

i2c_master_top模块端口

i2c_eeprom_test模块完成EEPROM的读写，EEPROM设备地址是A0，程序中将地址00的数据读出，然后通过LED显示，在KEY2 按下时，数字加一并再次写入EEPROM并显示出来。在I2C控制器中，代码的大部分功能在备注中也有很多批注。

4. 实验现象

下载实验程序后，可以看到LED显示一个二进制数字，这个数字是存储在EEPROM中00地址的数据，数据是随机的，这个时候按键KEY2按下，数字加一，并写入了EEPROM，再次下载程序，可以看到直接显示更新后的数据。

5. 使用在线调试Fabric Debugger观察信号

使用Fabric Debugger可以非常直观的看到程序在开发板上运行时各个信号的变化，在本例程中添加一个Debug Core来观察程序运行时各数据线的变化情况。

按红色标记，在单击“Inserter"：

在弹出如下界面下选择New DebugCore Unit来新建一个Debug Core：

单击U0：DebugCore：

会跳到参数设置界面，在"Trigger Parameters"栏中Sample Depth采样深度自己根据需求选择，这里选择默认，其它的设置保持不变。

在"Net Connections"栏中选择Modify Connections,进行Net修改；

弹出的界面中首先对TriggerPort栏中观测信号关联，在这里，选择左侧read_data,然后单击Make Connections,可以在TriggerPort栏中看到关联的观测信号read_data；

以同样的方式对Clock栏中时钟信号关联，选择左侧sys_clk_c,然后单击Make Connections,可以在Clock栏中看到关联的观测信号sys_clk_c,然后单击OK；

再在如下界面中单击保存按钮进行保存并关闭即可。

接下来重新生成.sbit文件，双击Generate Bitstream，会生成带有在线调试的DebugCore。

上面的工作准备好后，接下来才是正式开始调试， 单击Debugger（确保开发板上电并连接了下载器），

单击JTAG 扫描按钮，在找到后单击OK；

右击DEV:0MyDevice0，在下拉菜单中单击Configure Bitstream File

再按如下图中进行设置，设置完成后按OK键；

到此，程序已下载到FPGA 中，可以在线观察所需要的信号，选择 Waveform，选择触发模式为连续，并单击run；

可以看到read_data数据，每按一次KEY2键运行一次可以看到数据增加1。