零基礎學FPGA（十）初入江湖之i2c通信

　　相信學過單片機的同學對I2C總線都不陌生吧，今天我們來學習怎么用verilog語言來實現它，并在FPGA學習版上顯示。

　　i2c總線在近年來微電子通信控制領域廣泛采用的一種新型的總線標準，他是同步通信的一種特殊方式，具有接口少，控制簡單，器件封裝形式小，通信速率高等優點。在主從通信中，可以有多個i2c總線器件同時接到i2c總線上，所有與i2c兼容的器件都有標準的接口，通過地址來識別通信對象，使他們可以經由i2c總線互相直接通信。

　　i2c總線由兩條線控制，一條時鐘線SCL，一條數據線SDA，這里以E2PROM芯片AT24C08來介紹i2c通信方式。這是我學習版上的E2PROM芯片

　　下面是AT24系列芯片的器件地址說明

　　前四位是已經默認的地址，接下來三位是可編程部分，可以自己擬定器件的地址，就像上面的芯片，A0，A1，A2全部接地，所以我的開發板上的E2PROM的地址就為1010_000x，最后一位是讀寫標志位，若為1，則表示我要從E2PROM里讀數據，若為0，則表示我要往里面寫數據。

　　下面是AT24C08的寫時序

　　想要理解這段時序，讓我們來慢慢將它分解來看,從上到下，從左到右

　　1、SCL

　　由芯片的datasheet我們可以知道芯片的工作頻率范圍，一般是100KHZ到400KHZ，這里我們用100KHZ的工作頻率。因為我們的FPGA芯片是50MHZ的頻率，所以要用到分頻，周期是20ns，所以計數500次就是10us，也就是100KHZ了，下面是分頻部分的代碼

　　由芯片的資料可知，在SCL是低電平器件數據才可以變化，也就是說，只有在SCL在低電平器件才可以向E2PROM里面寫數據，在SCL高電平期間數據穩定，所以我們可以從里面讀數據，所以我們將SCL的一個時鐘周期分為四部分，分別是高電平中間時刻(用于讀數據)，下降沿，低電平中間時刻(用于寫數據)，上升沿。上升沿和下降沿來控制SCL的時序。

　　2、START

　　開始信號，在SCL為高電平期間，SDA有一個從高電平到低電平的跳變，大家可以參考上傳的源代碼，從一上電開始，SCL就按照100KHZ的頻率在變化，我們需要控制的只是SDA即可。

　　3、DEVICE-ADDRESS

　　器件地址，當開始信號作用后，就可以將器件的地址送人數據總線SDA，由于SDA是串行的，所以要一位一位的送，而且要從高位開始送，下面是狀態機尋器件地址部分代碼，注意地址的最后一位是讀寫位，這里要送寫地址，即1010_0000;

　　下面我來解釋一下上圖的代碼為什么這樣寫

　　(1)首先在SCL在低電平期間屬于數據穩定期，我們可以向里面寫數據。

　　(2)進入ADD1狀態后，sda_num就開始計數，由于我們用的是非阻塞賦值，所以第一個時鐘周期case捕獲的sda_num的值是0而不是1，有些朋友可能不明白這里，總是覺得case語句上來不就捕獲了1嘛，在這里給大家講解一下

　　(3)這樣一連送8個時鐘周期的器件地址，送完之后sda_num清零，并釋放sda總線，進入下一個狀態

　　4、ACK

　　應答信號，當器件地址發送完畢后，主機要向從機要一個應答信號，用來表示從機已經接收到了主機發送的數據，如果一段時間內主機沒有收到從機發來的應答信號，則主機默認從機收到的主機發送的數據。在這里我們利用狀態機等待一個時鐘周期，作為應答等待時間，并在這個時間內給db_r寄存器送數據地址

　　5、WORD_ADDRESS

　　數據地址，當找到要往哪個器件里寫數據之后，就要開始尋址往這個器件的哪個地址里寫數據了，AT24C08的存儲容量為1024x8，也就是可以寫1024個字節，共有1024個地址，往哪個地址里寫呢，需要我們自己確定。和上面發送器件地址一樣，直接將地址數據發送至SDA總線即可。

　　接下來從機再給主機一個應答信號，如果此時我們按下鍵1的話那么就會進入寫狀態，然后我們就可以寫數據了，具體代碼和上面尋址的代碼類似，直接將數據發送到數據總線SDA。

　　下面是讀時序

　　讀時序和寫時序的唯一不同點就是當發送玩數據地址后，接收到應答信號后，如果想要執行讀命令，那還要進行一次開始信號，即START2，然后再發送一次器件地址，當再收到應答信號后就可以從里面讀數據了，注意讀數據的時候我們是在scl的高電平期間，因為這個時候數據穩定，而在寫數據的時候，我們是在scl的低電平器件，因為這個器件數據才允許變化，代碼如下

　　還有一點要注意，因為SDA是輸入輸出信號inout，所以為了當數據線作為輸出或者輸入時不被干擾，這里定義了一個變量sda_link，來控制它，當sda作為輸入信號時，我們讓它處于高阻態，當sda作為輸出信號時，將其賦予sda_r的值

　　下面是生成的RTL視圖

　　下面是狀態機的模型

　　下面是板子上實驗