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前言
继上一篇FPGA学习_I2C总线协议内容，本文将基于FPGA通过I2C控制AT24C64（EEPROM芯片）芯片
一、代码设计框图
完整代码GitHub连接：https://github.com/shun6-6/IIC_EEPROM_Pro
二、IIC_drive模块设计
2.1、模块接口：
module iic_drive#(
parameter P_ADDR_WIDTH = 16
)(
input i_clk ,
input i_rst ,
/*----user interface----*/
input [6 :0] i_device_addr ,//用户输入设备地址
input [15:0] i_operation_addr ,//用户输入读写数据地址
input [7 :0] i_operation_len ,//用户输入读写数据长度
input [1 :0] i_operation_type ,//用户输入读写类型
input i_operation_valid ,//用户输入操作有效信号
output o_operation_ready ,//用户输出操作准备信号
input [7 :0] i_write_date ,//用户写入数据
output o_write_req ,//用户写数据请求
output [7 :0] o_read_date ,//输出IIC读到的数据
output o_read_valid ,//数据有效信号
/*----IIC interface----*/
output o_iic_scl ,//IIC时钟线
inout io_iic_sda //IIC双向数据线
);
2.2、代码功能描述：
该模块将输入的指令以及相关地址和数据通过IIC协议传递给EEPROM芯片，其中状态机一共有11个状态：
localparam P_ST_IDLE = 0 ,//状态机-空闲
P_ST_START = 1 ,//状态机-起始位
P_ST_UADDR = 2 ,//状态机-设备地址
P_ST_DADDR1 = 3 ,//状态机-数据地址高位
P_ST_DADDR2 = 4 ,//状态机-数据地址低位
P_ST_WRITE = 5 ,//状态机-写数据
P_ST_REATART = 6 ,//状态机-重启iic总线
P_ST_READ = 7 ,//状态机-读数据
P_ST_WATI = 8 ,//等待应答后再发生停止位
P_ST_STOP = 9 ,//状态机-停止
P_ST_EMPTY = 10 ;//空状态
状态转移过程：
P_ST_IDLE ：一次操作指令握手成功后，进入START状态；
P_ST_START ：该状态下控制SCL和SDA线启动IIC，随后进入写设备地址UADDR状态，
P_ST_UADDR ：w_st_turn 信号表示一个byte写入结束，即设备地址和读写指令写入（俩个一共为8bit）结束，随后会判断r_st_restart 信号，该信号表示当前操作为读数据操作，因为只有在读数据时，我们采用随机地址读操作，有一次虚写操作，虚写结束后需要重新启动总线，因此若此信号为高需要进入READ读阶段，否则进入写数据地址1（P_ST_DADDR1）阶段；
P_ST_DADDR1 ：r_slave_ack 信号表示从机响应信号，此时响应的是写设备地址阶段的响应信号，如果响应为0，即未响应，则直接进入STOP停止阶段，以重新启动总线，这是由于刚刚写完数据，如果立马进行操作总线，总线处于忙状态，不会响应，若正常响应，则会在顺利写完8bit数据后进入P_ST_DADDR2 阶段。
P_ST_DADDR2 ：在写完8bit的低8为地址后（即w_st_turn 拉高），判断当前是读操作还是写操作，写操作则顺利进入写数据WRITE阶段，读操作则需要进入总线重新启动阶段，即P_ST_REATART 。
P_ST_WRITE ：当写如byte字节数与用户输入的写数据长度一致时，进入等待WAIT状态，否则继续写；
P_ST_REATART ：重启总线，先进入停止STOP阶段，执行停止操作。
P_ST_READ ：字节读，此模块只支持字节读操作，但用户要实现多字节读操作也是可以的，该过程会在EEPROM_drive当中被实现，因为EEPROM_drive模块会执行多次字节读。以此实现连续读操作。
P_ST_WATI ：等待一拍，等从机ACK结束后进入停止位STOP阶段。
P_ST_STOP ：控制SCL和SDA线结束IIC操作
注：这里需要注意的是接收完ACK后，不可以直接停止时钟产生，然后直接拉高SDA，需要多产生一个周期SCL，然后在SCL高电平期间拉高SDA以产生停止信号。
P_ST_EMPTY ：emmmmm没啥用的一个状态，完全可以将停止位多计数一个时钟执行响应的判断，不过这样写清晰一点，主要是判断是不是需要重启总线（r_st_restart说明是由于读操作导致的重启操作，r_ack_lock说明是由于从机忙没有回应导致的重启总线），如果是则进入START状态，不是就回到IDLE状态。
always @(*)begin
case (r_st_cur)
P_ST_IDLE : r_st_nxt = w_operation_active ? P_ST_START : P_ST_IDLE;
P_ST_START : r_st_nxt = P_ST_UADDR;
P_ST_UADDR : r_st_nxt = w_st_turn ?
r_st_restart ? P_ST_READ : P_ST_DADDR1
: P_ST_UADDR;
P_ST_DADDR1 : r_st_nxt = r_slave_ack ? P_ST_STOP :
w_st_turn ? P_ST_DADDR2 : P_ST_DADDR1;
P_ST_DADDR2 : r_st_nxt = w_st_turn && ri_operation_type == P_W ? P_ST_WRITE :
w_st_turn && ri_operation_type == P_R ? P_ST_REATART :
P_ST_DADDR2;
P_ST_WRITE : r_st_nxt = w_st_turn && r_wr_cnt == ri_operation_len - 1
? P_ST_WATI : P_ST_WRITE;
P_ST_REATART : r_st_nxt = P_ST_STOP;
P_ST_READ : r_st_nxt = w_st_turn ? P_ST_WATI : P_ST_READ;//随机读，一次一个byte
P_ST_WATI : r_st_nxt = P_ST_STOP;
P_ST_STOP : r_st_nxt = r_st_cnt == 1 ? P_ST_EMPTY : P_ST_STOP;
P_ST_EMPTY : r_st_nxt = r_st_restart | r_ack_lock ? P_ST_START : P_ST_IDLE;
default : r_st_nxt = P_ST_IDLE;
endcase
end
2.3、IIC协议实现过程：
过程和之前介绍的SPI总线协议类似，通过维护一个计数器，来使数据在SCL时钟下降沿改变，在SCL时钟上升沿被采样
主要难点是停止位的部分：
- 写数据结束的停止位在第一张波形图哪里做了详细说明：
- 读数据结束的停止位：如下图所示：在黄线部分已经读完了数据，后面需要加一个时钟周期传输NO ACK（图中红线部分）表示此次字节读结束，然后停止位的产生一定还需要多一个时钟周期，并且在此时钟周期最后拉高SDA，其实和写数据停止位一样，重复说明防止出错！！！
三、EEPROM_ctrl模块设计
3.1、模块接口：
module eeprom_ctrl(
input i_clk ,
input i_rst ,
/*----user interface----*/
input [2 :0] i_eeprom_addr ,
input [15:0] i_user_operation_addr ,
input [1 :0] i_user_operation_type ,
input [7 :0] i_user_operation_len ,
input i_user_operation_valid ,
output o_user_operation_ready ,
input [7 :0] i_user_write_date ,
input i_user_write_valid ,
input i_user_write_sop ,
input i_user_write_eop ,
output [7 :0] o_user_read_date ,
output o_user_read_valid ,
/*----iic drive interface----*/
output [6 :0] o_device_addr ,
output [15:0] o_operation_addr ,
output [7 :0] o_operation_len ,
output [1 :0] o_operation_type ,
output o_operation_valid ,
input i_operation_ready ,
output [7 :0] o_write_date ,
input i_write_req ,
input [7 :0] i_read_date ,
input i_read_valid
);
3.2、代码功能描述
该模块主要讲用户输入的读写指令转化为驱动读写指令，并且将用户输入的写数据存入FIFO，一个一个把8bit数据吐给IIC驱动，因为IIC_drive是串行传输的，同时也把从EEPROM读出的数据暂存入FIFO，读完后一次性连续的传递给用户模块。同时在该模块当中完成了一个上面刚刚提到的操作，连续读 ：IIC_drive模块只支持字节读操作，但用户要实现多字节读操作也是可以的，因为EEPROM_drive模块会执行多次字节读。以此实现连续读操作。
localparam P_ST_IDLE = 0 ,
P_ST_WRITE = 1 ,
P_ST_WAIT = 2 ,
P_ST_READ = 3 ,
P_ST_REREAD = 4 ,
P_ST_OUT_DATA = 5 ;
always @(*)begin
case (r_st_cur)
P_ST_IDLE : r_st_nxt = w_user_active && i_user_operation_type == P_W ? P_ST_WRITE :
w_user_active && i_user_operation_type == P_R ? P_ST_WAIT :
P_ST_IDLE;
P_ST_WRITE : r_st_nxt = w_drive_end && ri_user_operation_type == P_W ? P_ST_IDLE : P_ST_WRITE;
P_ST_WAIT : r_st_nxt = P_ST_READ;
P_ST_READ : r_st_nxt = w_drive_end ?
r_read_cnt == ri_user_operation_len - 1 ? P_ST_OUT_DATA : P_ST_REREAD
: P_ST_READ;
P_ST_REREAD : r_st_nxt = P_ST_READ;
P_ST_OUT_DATA : r_st_nxt = w_fifo_read_empty ? P_ST_IDLE : P_ST_OUT_DATA;
default : r_st_nxt = P_ST_IDLE;
endcase
end
该模块状态机以及相应跳转条件
该功能较为简单，
P_ST_IDLE ：根据输入操作类型分别进入写WRITE状态或者是等待WAIT状态，这是因为用户输入的操作指令都会在本地先打一拍然后寄存下来，对于写数据而言，会先将数据存入FIFO然后再进行握手操作，然后再把本地寄存的用户指令再发给IIC驱动，这期间因为FIFO存数据所以指令赋值推后了好多拍，因此指令赋值不会出错，但是进行读数据操作时，用户指令i_user_operation_type先赋值给ri_user_operation_type以寄存，然后将ri_user_operation_type赋值给驱动ro_operation_type，在这个过程中就需要先等待一拍，否则就会出现上一次操作的的ri_user_operation_type给了ro_operation_type，错过了本次正确的i_user_operation_type。 这就是为什么进入读操作时先要进入一次WAIT状态以打一排。
之后的状态都很简单了！！！
四、EEPROM_drive模块
该模块就是例化了上述俩个模块
五、iic_top模块
该模块则是简单实现了一个不断翻转读写状态的的用户模块。
module iic_top(
input i_clk ,
output o_iic_scl ,//IIC时钟线
inout io_iic_sda //IIC双向数据线
);
localparam P_WRITE_NUM = 8;
localparam P_W = 1 ,//写数据
P_R = 2 ;//读数据
reg [2 :0] ri_eeprom_addr ;
reg [15:0] ri_user_operation_addr ;
reg [1 :0] ri_user_operation_type ;
reg [7 :0] ri_user_operation_len ;
reg ri_user_operation_valid ;
wire o_user_operation_ready ;
reg [7 :0] ri_user_write_date ;
reg ri_user_write_valid ;
reg ri_user_write_sop ;
reg ri_user_write_eop ;
wire [7 :0] o_user_read_date ;
wire o_user_read_valid ;
reg [7 :0] r_write_cnt ;
reg r_wr_st ;
wire w_user_active ;
wire w_clk_5mhz ;
wire w_clk_5mhz_lock ;
wire w_clk_125khz ;
wire w_clk_125khz_rst ;
assign w_user_active = ri_user_operation_valid & o_user_operation_ready;
SYSCLK_div SYSCLK_div_5mhz
(
.clk_out1 (w_clk_5mhz ),
.locked (w_clk_5mhz_lock),
.clk_in1 (i_clk )
);
CLK_DIV_module#(
.P_CLK_DIV_CNT (40) //MAX = 65535
)CLK_DIV_module_U(
.i_clk (w_clk_5mhz ),
.i_rst (~w_clk_5mhz_lock),
.o_clk_div (w_clk_125khz )
);
rst_gen_module#(
.P_RST_CYCLE (1)
)rst_gen_module_u0(
.i_clk (w_clk_125khz ),
.o_rst (w_clk_125khz_rst)
);
eeprom_drive eeprom_drive_u0(
.i_clk (w_clk_125khz ),
.i_rst (w_clk_125khz_rst),
.i_eeprom_addr (ri_eeprom_addr ),
.i_user_operation_addr (ri_user_operation_addr ),
.i_user_operation_type (ri_user_operation_type ),
.i_user_operation_len (ri_user_operation_len ),
.i_user_operation_valid (ri_user_operation_valid),
.o_user_operation_ready (o_user_operation_ready ),
.i_user_write_date (ri_user_write_date ),
.i_user_write_valid (ri_user_write_valid ),
.i_user_write_sop (ri_user_write_sop ),
.i_user_write_eop (ri_user_write_eop ),
.o_user_read_date (o_user_read_date ),
.o_user_read_valid (o_user_read_valid ),
.o_iic_scl (o_iic_scl ),//IIC时钟线
.io_iic_sda (io_iic_sda) //IIC双向数据线
);
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)begin
ri_eeprom_addr <= 'd0;
ri_user_operation_addr <= 'd0;
ri_user_operation_type <= 'd0;
ri_user_operation_len <= 'd0;
ri_user_operation_valid <= 'd0;
end
else if(o_user_operation_ready && r_wr_st == 0)begin
ri_eeprom_addr <= 3'b011;
ri_user_operation_addr <= 'd0;
ri_user_operation_type <= P_W;
ri_user_operation_len <= P_WRITE_NUM;
ri_user_operation_valid <= 'd1;
end
else if(o_user_operation_ready && r_wr_st == 1)begin
ri_eeprom_addr <= 3'b011;
ri_user_operation_addr <= 'd0;
ri_user_operation_type <= P_R;
ri_user_operation_len <= P_WRITE_NUM;
ri_user_operation_valid <= 'd1;
end
else begin
ri_eeprom_addr <= 'd0;
ri_user_operation_addr <= 'd0;
ri_user_operation_type <= 'd0;
ri_user_operation_len <= 'd0;
ri_user_operation_valid <= 'd0;
end
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
ri_user_write_date <= 'd0;
else if(ri_user_write_valid)
ri_user_write_date <= ri_user_write_date + 1;
else
ri_user_write_date <= ri_user_write_date;
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
ri_user_write_sop <= 'd0;
else if(w_user_active && ri_user_operation_type == P_W)
ri_user_write_sop <= 'd1;
else
ri_user_write_sop <= 'd0;
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
ri_user_write_valid <= 'd0;
else if(ri_user_write_eop)
ri_user_write_valid <= 'd0;
else if(w_user_active && ri_user_operation_type == P_W)
ri_user_write_valid <= 'd1;
else
ri_user_write_valid <= ri_user_write_valid;
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
ri_user_write_eop <= 'd0;
// else if((w_user_active || ri_user_write_valid) && r_write_cnt == P_WRITE_NUM - 2)
// ri_user_write_eop <= 'd1;
else if(w_user_active && P_WRITE_NUM == 1)
ri_user_write_eop <= 'd1;//write 1 byte
else if(ri_user_write_valid && r_write_cnt == P_WRITE_NUM - 2)
ri_user_write_eop <= 'd1;//write over 1 byte
else
ri_user_write_eop <= 'd0;
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
r_write_cnt <= 'd0;
else if(r_write_cnt == P_WRITE_NUM - 1)
r_write_cnt <= 'd0;
else if(ri_user_write_valid)
r_write_cnt <= r_write_cnt + 1'd1;
else
r_write_cnt <= r_write_cnt;
end
always @(posedge w_clk_125khz or posedge w_clk_125khz_rst)begin
if(w_clk_125khz_rst)
r_wr_st <= 'd0;
else if(w_user_active)
r_wr_st <= r_wr_st + 1'd1;
else
r_wr_st <= r_wr_st;
end
endmodule