FPGA實現IIC協議的設計

一. 簡介

今天給大家帶來的是IIC通信，IIC協議應用非常廣泛，例如與MPU6050進行通信，配置OV5640攝像頭、驅動OLED屏幕等等，都需要使用到IIC協議，所以掌握它是非常必要的，廢話不多說，接著往下看。

二. IIC簡介

IIC協議分為主機和從機，所有的請求都是由主機發出，從機進行響應，從機是沒有辦法對主機進行讀或寫的。IIC協議共有兩根線，數據線SDA和時鐘線SCL，兩根線就可以完成所有的通信請求，簡直是太給力了。

三. IIC協議

終于到了IIC協議的部分。IIC協議簡單來說，共有五種狀態，這五種狀態的有序組合就組成了完整的IIC通信，學習IIC協議，就是學習這五種狀態。

空閑態: SCL 和 SDA 都為高電平，不進行通信的時候。

起始態：在SCL為高電平的時候，將SDA拉低，主機通知從機，開始進行通信。

數據傳輸態：數據傳輸態，又可以分為讀和寫兩個部分，過程都是一樣的，就合在一起了，都是在SCL為低電平的時候，SDA將數據發送，在SCL為高電平的時候，將數據接收。

(非)應答態：數據傳輸態完成后，必須接一個應答態或者非應答態，為了確定對方接收到了數據。在SCL為高電平的時候，檢測到SDA為低電平，則為應答，否則為非應答。

停止態：一次數據傳輸完成，由主機發起，在SCL為高電平的時候，SDA由低電平變成高電平。

了解了這五種狀態后，接下來就要學習如何使用這五種狀態來進行讀寫操作了。

(一) IIC寫操作

下面就是一個完整的寫操作，共包含三次數據傳輸態，第一次發送的是從機地址 + 0，第二次發送的是寄存器的地址，第三次寫的是數據，寫入寄存器中的數據。從機地址一般為7bit，與另外一bit共同組成8bit，0表示寫，1表示讀。

(二）IIC讀操作

讀操作要比寫操作復雜一點，需要的狀態多一些。一共有五個數據傳輸態，狀態圖如下了。

上面的流程圖都是對從機的地址為7位以及從機的寄存器地址為8位的操作。

四. Verilog代碼實現

有了上面的各個狀態中，SDA和SCL的變換關系，以及讀寫的序列，就可以很方便的來寫程序啦。

1. 首先，當然離不開狀態機，根據上面敘述的五種狀態，編寫狀態機，狀態機中，將數據傳輸態分成了讀和寫兩種狀態。有了各個狀態，操作SDA和SCL兩根線不是易如反掌嘛！

/*IIC 狀態*/
localparam IIC_IDLE       =   6'b000_001;  /*空閑態*/
localparam IIC_START      =   6'b000_010;  /*起始態*/
localparam IIC_WRDATA     =   6'b000_100;  /*寫數據態*/
localparam IIC_RDDATA     =   6'b001_000;  /*讀數據態*/
localparam IIC_ACK        =   6'b010_000;  /*應答態*/
localparam IIC_STOP       =   6'b100_000;  /*停止態*/

2.狀態機的跳轉條件如下，跳轉條件和上面敘述的一樣。單獨看這個有點難懂，有些變量不明白其具體含義，可以結和仿真圖形和完整代碼進行理解。

/*狀態機*/
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)         /*三個字節發送完成，進入停止態*/
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;
endcase
end

各個部分實現的詳細代碼，就不列舉出來啦，代碼總計280多行，也不算多。通過本IIC模塊，可以驅動OV5640攝像頭，MPU6050模塊和0.96寸OLED屏幕等等，后續會基于此模塊，來驅動這些外設。

五. testbeach編寫

還是按照流程走，編寫完模塊后，進行一下仿真，還真有錯誤，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   /*手動復位*/
rst = 1'b0;
        #100
rst = 1'b1;
end


always@(posedge clk)
if(IICReadDone == 1'b1)   /*讀完成后，readReq為0，只進行一次讀寫操作*/
IICReadReq <= 1'b0;
else
IICReadReq <= IICReadReq;


IIC_Driver  IIC_DriverHP(
.sys_clk            (clk),           /*系統時鐘*/
.rst_n              (rst),             /*系統復位*/


.IICSCL             (SCL),            /*IIC 時鐘輸出*/
.IICSDA             (SDA),             /*IIC 數據線*/


.IICSlave           ('h1234),


.IICWriteReq        (IICWriteReq),       /*IIC寫寄存器請求*/
.IICWriteDone        (IICWriteDone),      /*IIC寫寄存器完成*/
.IICWriteData        ('h5a), /*IIC發送數據 8bit的從機地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的數據(讀忽略，后默認為0)*/


.IICReadReq         (IICReadReq),        /*IIC讀寄存器請求*/
.IICReadDone        (IICReadDone),       /*IIC讀寄存器完成*/
.IICReadData        ()/*IIC讀取數據*/
);


endmodule