FPGA實(shí)現(xiàn)IIC協(xié)議

一. 簡(jiǎn)介

這是FPGA之旅設(shè)計(jì)的第五例啦！今天給大家?guī)?lái)的是IIC通信，IIC協(xié)議應(yīng)用非常廣泛，例如與MPU6050進(jìn)行通信，配置OV5640攝像頭、驅(qū)動(dòng)OLED屏幕等等，都需要使用到IIC協(xié)議，所以掌握它是非常必要的，廢話不多說(shuō)，接著往下看。文末獲取完整代碼。

二. IIC簡(jiǎn)介

IIC協(xié)議分為主機(jī)和從機(jī)，所有的請(qǐng)求都是由主機(jī)發(fā)出，從機(jī)進(jìn)行響應(yīng)，從機(jī)是沒(méi)有辦法對(duì)主機(jī)進(jìn)行讀或?qū)懙?。IIC協(xié)議共有兩根線，數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL，兩根線就可以完成所有的通信請(qǐng)求，簡(jiǎn)直是太給力了。

三. IIC協(xié)議

終于到了IIC協(xié)議的部分。IIC協(xié)議簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，共有五種狀態(tài)，這五種狀態(tài)的有序組合就組成了完整的IIC通信，學(xué)習(xí)IIC協(xié)議，就是學(xué)習(xí)這五種狀態(tài)。

• 空閑態(tài):  SCL 和 SDA 都為高電平，不進(jìn)行通信的時(shí)候。

• 起始態(tài)：在SCL為高電平的時(shí)候，將SDA拉低，主機(jī)通知從機(jī)，開(kāi)始進(jìn)行通信。

• 數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，又可以分為讀和寫(xiě)兩個(gè)部分，過(guò)程都是一樣的，就合在一起了，都是在SCL為低電平的時(shí)候，SDA將數(shù)據(jù)發(fā)送，在SCL為高電平的時(shí)候，將數(shù)據(jù)接收。

• (非)應(yīng)答態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸態(tài)完成后，必須接一個(gè)應(yīng)答態(tài)或者非應(yīng)答態(tài)，為了確定對(duì)方接收到了數(shù)據(jù)。在SCL為高電平的時(shí)候，檢測(cè)到SDA為低電平，則為應(yīng)答，否則為非應(yīng)答。

• 停止態(tài)：一次數(shù)據(jù)傳輸完成，由主機(jī)發(fā)起，在SCL為高電平的時(shí)候，SDA由低電平變成高電平。

了解了這五種狀態(tài)后，接下來(lái)就要學(xué)習(xí)如何使用這五種狀態(tài)來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)操作了。

(一)  IIC寫(xiě)操作

下面就是一個(gè)完整的寫(xiě)操作，共包含三次數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，第一次發(fā)送的是從機(jī)地址 + 0，第二次發(fā)送的是寄存器的地址，第三次寫(xiě)的是數(shù)據(jù)，寫(xiě)入寄存器中的數(shù)據(jù)。從機(jī)地址一般為7bit，與另外一bit共同組成8bit，0表示寫(xiě)，1表示讀。

(二）IIC讀操作

讀操作要比寫(xiě)操作復(fù)雜一點(diǎn)，需要的狀態(tài)多一些。一共有五個(gè)數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，狀態(tài)圖如下了。

上面的流程圖都是對(duì)從機(jī)的地址為7位以及從機(jī)的寄存器地址為8位的操作。

四. Verilog代碼實(shí)現(xiàn)

有了上面的各個(gè)狀態(tài)中，SDA和SCL的變換關(guān)系，以及讀寫(xiě)的序列，就可以很方便的來(lái)寫(xiě)程序啦。

1. 首先，當(dāng)然離不開(kāi)狀態(tài)機(jī)，根據(jù)上面敘述的五種狀態(tài)，編寫(xiě)狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)中，將數(shù)據(jù)傳輸態(tài)分成了讀和寫(xiě)兩種狀態(tài)。有了各個(gè)狀態(tài)，操作SDA和SCL兩根線不是易如反掌嘛

/*IIC 狀態(tài)*/localparam IIC_IDLE       = 6'b000_001; /*空閑態(tài)*/localparam IIC_START      = 6'b000_010; /*起始態(tài)*/localparam IIC_WRDATA     = 6'b000_100; /*寫(xiě)數(shù)據(jù)態(tài)*/localparam IIC_RDDATA     = 6'b001_000; /*讀數(shù)據(jù)態(tài)*/localparam IIC_ACK        = 6'b010_000; /*應(yīng)答態(tài)*/localparam IIC_STOP       = 6'b100_000; /*停止態(tài)*/

2. 狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)條件如下，跳轉(zhuǎn)條件和上面敘述的一樣。單獨(dú)看這個(gè)有點(diǎn)難懂，有些變量不明白其具體含義，可以結(jié)和仿真圖形和完整代碼進(jìn)行理解。

/*狀態(tài)機(jī)*/always @(*)begin case(state) IIC_IDLE:  if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1) next_state <= IIC_START; else next_state <= IIC_IDLE; IIC_START: if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2)) next_state <= IIC_WRDATA; else next_state <= IIC_START; IIC_WRDATA: if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) next_state <= IIC_ACK; else next_state <= IIC_WRDATA; IIC_RDDATA: if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) next_state <= IIC_ACK; else next_state <= IIC_RDDATA; IIC_ACK: if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) if(IICSendBytes == 'd3)  if(IICWriteReq == 1'b1)         /*三個(gè)字節(jié)發(fā)送完成，進(jìn)入停止態(tài)*/ next_state <= IIC_STOP; else  next_state <= IIC_RDDATA; else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1) next_state <= IIC_START; else if(IICSendBytes == 'd4) next_state <= IIC_STOP; else next_state <= IIC_WRDATA; else next_state <= IIC_ACK; IIC_STOP: if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1) next_state <= IIC_IDLE; else next_state <= IIC_STOP; default: next_state <= IIC_IDLE; endcaseend

各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)代碼，就不列舉出來(lái)啦，代碼總計(jì)280多行，也不算多。通過(guò)本IIC模塊，可以驅(qū)動(dòng)OV5640攝像頭，MPU6050模塊和0.96寸OLED屏幕等等，后續(xù)會(huì)基于此模塊，來(lái)驅(qū)動(dòng)這些外設(shè)。

五. testbeach編寫(xiě)

還是按照流程走，編寫(xiě)完模塊后，進(jìn)行一下仿真，還真有錯(cuò)誤，幸虧仿真了，哈哈哈。

`timescale 1ns/1ps module testbench();  reg clk; reg rst; wire SDA; wire SCL; reg IICWriteReq; reg IICReadReq; wire IICWriteDone; wire IICReadDone; always # 50 clk = ~clk; initial begin clk = 1'b1; rst = 1'b1;  IICWriteReq = 1'b0; IICReadReq = 1'b1; #100   /*手動(dòng)復(fù)位*/ rst = 1'b0; #100 rst = 1'b1; end  always@(posedge clk) if(IICReadDone == 1'b1)   /*讀完成后，readReq為0，只進(jìn)行一次讀寫(xiě)操作*/ IICReadReq <= 1'b0; else IICReadReq <= IICReadReq; IIC_Driver IIC_DriverHP( .sys_clk (clk),           /*系統(tǒng)時(shí)鐘*/ .rst_n (rst),             /*系統(tǒng)復(fù)位*/  .IICSCL (SCL),            /*IIC 時(shí)鐘輸出*/ .IICSDA (SDA),             /*IIC 數(shù)據(jù)線*/  .IICSlave ('h1234),  .IICWriteReq (IICWriteReq),       /*IIC寫(xiě)寄存器請(qǐng)求*/ .IICWriteDone (IICWriteDone),      /*IIC寫(xiě)寄存器完成*/ .IICWriteData ('h5a), /*IIC發(fā)送數(shù)據(jù) 8bit的從機(jī)地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的數(shù)據(jù)(讀忽略，后默認(rèn)為0)*/  .IICReadReq (IICReadReq),        /*IIC讀寄存器請(qǐng)求*/ .IICReadDone (IICReadDone),       /*IIC讀寄存器完成*/ .IICReadData ()/*IIC讀取數(shù)據(jù)*/); endmodule