FPGA基础设计（四）：IIC协议

很多数字传感器、数字控制的芯片（DDS、串行ADC、串行DAC）都是通过IIC总线来和控制器通信的。不过IIC协议仍然是一种慢速的通信方式，标准IIC速率为100kbit/s，快速模式速率为400kbit/s。本文致力于讲述如何用计数器控制和分频时钟控制两种方式完成IIC的读写操作。

IIC协议

  IIC协议是一种多机通讯，由SDA数据线和SCL时钟线构成串行总线，所有的IIC设备都可以挂载到总线上，但每个设备都有唯一的设备读地址和设备写地址。在使用IIC作为数字接口的芯片datasheet中都可以看到该设备的设备读/写地址情况，并可以查找到相应的读写时序，以及对速率的要求。下图是一个通用的IIC协议时序：

我们可以总结出五种IIC协议的时序状态：
  1. 空闲状态，当SDA和SCL两条信号线都处于高电平时总线处于空闲状态。
  2. 开始信号，SCL为高电平期间SDA信号线上产生了下降沿标志着的一次数据传输的开始。开始信号应当由主机发起。
  3. 数据传输，在SCL同步控制下SDA串行的传送每一位，因此传送8bits的数据需要8个SCL时钟。SCL为高电平时期SDA电平状态必须稳定；SCL为低电平期间才允许SDA改变状态。
  4. 应答信号，IIC总线上每传送一个8位字节，第9个脉冲期间便会释放总线，由接收器发出一个应答信号，反馈有没有成功接收。
  5. 停止信号，在SCL保持高电平期间，将SDA信号线释放恢复到高电平，标志一次数据传输的结束，IIC总线也重新回到了空闲状态。

计数器控制IIC读写

  在“FPGA基础设计（三）：UART串口通信”中已经接触到了使用计数器控制时序的方法，这个方法在控制IIC通信时同样实用。一次完整的写入操作如下所示：
case( i )
0: // iic Start
begin
isOut <= 1; //SDA端口输出

if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b1;
else if( C1 == 200 ) rSCL <= 1'b0; //SCL由高变低

if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b1;
else if( C1 == 100 ) rSDA <= 1'b0; //SDA先由高变低

if( C1 == 250 -1) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
end

1: // Write Device Addr
begin rData <= {4'b1010, 3'b000, 1'b0}; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end

2: // Wirte Word Addr
begin rData <= Addr_Sig; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end

3: // Write Data
begin rData <= WrData; i <= 5'd7; Go <= i + 1'b1; end

4: //iic Stop
begin
isOut <= 1'b1;

if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1; //SCL先由低变高

if( C1 == 0 ) rSDA <= 1'b0;
else if( C1 == 150 ) rSDA <= 1'b1; //SDA由低变高

if( C1 == 250 -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
end

5:
begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end //写I2C 结束

6:
begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end

7,8,9,10,11,12,13,14: //发送Device Addr/Word Addr/Write Data
begin
isOut <= 1'b1;
rSDA <= rData[14-i]; //高位先发送

if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;
else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0;

if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
end

15: // waiting for acknowledge
begin
isOut <= 1'b0; //SDA端口改为输入
if( C1 == 100 ) isAck <= SDA;

if( C1 == 0 ) rSCL <= 1'b0;
else if( C1 == 50 ) rSCL <= 1'b1;
else if( C1 == 150 ) rSCL <= 1'b0;

if( C1 == F250K -1 ) begin C1 <= 9'd0; i <= i + 1'b1; end
else C1 <= C1 + 1'b1;
end

16:
if( isAck != 0 ) i <= 5'd0;
else i <= Go;

endcase

 向IIC总线写数据时，需要依次写入待写入的设备写地址、设备中的写地址和待写入的数据共3个8bits字节数据。i代表总线上不同的状态，通过计数器来控制状态之间的跳转。i为0时发出开始信号；i为7~14时控制8bits数据的发送；i为1、2、3时分别为设备地址、字节地址和数据，依次调用7-14完成数据的传输；其余还有停止位、应答位、IIC通信完成置位等状态。

  从器件中读取数据的方法与此一样，只不过通常都需要先向IIC总线写入待读取的设备地址和器件地址，之后再读数据。读数据整体过程比写数据要麻烦一点，但只要控制好状态之间跳转的过程即可。

分频时钟控制IIC读写

  由计数器控制通信时序的方法优点是很灵活，几乎所有的时序方法都可以用这种方法完成；缺点就是太麻烦，需要控制好状态之间的跳转，时序越复杂使用越麻烦，其实在“FPGA采集-传输-显示系统（二）：基于FPGA的温度采集和以太网传输”中，我对DS18B20的时序控制就是采用计数器控制的方法。DS18B20的时序要求较多，因此其中的状态跳转已经相当复杂。

  其实在控制IIC这种时钟速率固定的串行协议时，还可以在外部分频或PLL生成一个低频的通信时钟，用这个时钟来控制数据传输过程。如下所示：
always@(posedge clock_i2c)
begin
if(reset_n==1'b0) begin
tr_end<=0;
ack1<=1;
ack2<=1;
ack3<=1;
sclk<=1;
reg_sdat<=1;
end
else
case(cyc_count)
0:begin ack1<=1;ack2<=1;tr_end<=0;sclk<=1;reg_sdat<=1;end
1:reg_sdat<=0; //开始传输
2:sclk<=0;
3:reg_sdat<=i2c_data[23];
4:reg_sdat<=i2c_data[22];
5:reg_sdat<=i2c_data[21];
6:reg_sdat<=i2c_data[20];
7:reg_sdat<=i2c_data[19];
8:reg_sdat<=i2c_data[18];
9:reg_sdat<=i2c_data[17];
10:reg_sdat<=i2c_data[16];
11:reg_sdat<=1; //应答信号
12:begin reg_sdat<=i2c_data[15];ack1<=i2c_sdat;end
13:reg_sdat<=i2c_data[14];
14:reg_sdat<=i2c_data[13];
15:reg_sdat<=i2c_data[12];
16:reg_sdat<=i2c_data[11];
17:reg_sdat<=i2c_data[10];
18:reg_sdat<=i2c_data[9];
19:reg_sdat<=i2c_data[8];
20:reg_sdat<=1; //应答信号
21:begin reg_sdat<=i2c_data[7];ack2<=i2c_sdat;end
22:reg_sdat<=i2c_data[6];
23:reg_sdat<=i2c_data[5];
24:reg_sdat<=i2c_data[4];
25:reg_sdat<=i2c_data[3];
26:reg_sdat<=i2c_data[2];
27:reg_sdat<=i2c_data[1];
28:reg_sdat<=i2c_data[0];
29:reg_sdat<=1; //应答信号
30:begin ack3<=i2c_sdat;sclk<=0;reg_sdat<=0;end
31:sclk<=1;
32:begin reg_sdat<=1;tr_end<=1;end //IIC传输结束
endcase

可以看到这个always块的敏感目标为分频后的IIC时钟信号clock_i2c，整个传输过程一目了然。这两种控制时序的方法不仅适合于IIC协议，还适合于其它的串行协议，下一章“FPGA基础设计（五）：SPI协议”仍将使用这种方法。

转载：http://xilinx.eetrend.com/blog/12413