FPGA入門基礎(chǔ)之I2C接口設(shè)計(jì)（二）

引言：本文基于上一篇博文I2C理論知識(shí)，通過FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫EEPROM（AT24C02）芯片實(shí)戰(zhàn)操作，進(jìn)一步了解如何利用HDL實(shí)現(xiàn)I2C接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1. 硬件設(shè)計(jì)

1.1 概述

Atmel?AT24C01C/02C提供1024/2048位的串行電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM），其組織為128/256個(gè)字，每個(gè)字8位。這兩種設(shè)備都包含級(jí)聯(lián)功能，最多允許八個(gè)設(shè)備共享一條通用的2線總線。這些設(shè)備被優(yōu)化用于許多工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用，其中低功率和低電壓操作是必不可少的。

圖1：AT24C01C/02C管腳及常見封裝

AT24C01C/02C有節(jié)省空間的8引腳PDIP、8引腳SOIC、8引腳TSSOP、8引腳UDFN、5引腳SOT23和8球VFBGA封裝。此外，整個(gè)系列的工作電壓為1.7V至5.5V VCC。

1.2 管腳描述

串行時(shí)鐘（SCL）：SCL輸入用于將上升沿沿時(shí)鐘數(shù)據(jù)輸入每個(gè)EEPROM設(shè)備，并將下降沿沿時(shí)鐘數(shù)據(jù)輸出每個(gè)設(shè)備。該引腳是開漏極驅(qū)動(dòng)的。

串行數(shù)據(jù)（SDA）：SDA引腳是雙向的，用于串行數(shù)據(jù)傳輸。該引腳是開漏極驅(qū)動(dòng)的。

設(shè)備/頁面地址（A2、A1、A0）：A2、A1和A0引腳是AT24C01C/02C的硬接線設(shè)備地址輸入。在單個(gè)總線系統(tǒng)上可以尋址多達(dá)八個(gè)1-Kbit或2-Kbit設(shè)備。

寫保護(hù)（WP）：AT24C01C/02C有一個(gè)寫保護(hù)引腳，可提供硬件數(shù)據(jù)保護(hù)。當(dāng)連接到地（GND）時(shí)，寫保護(hù)引腳允許正常的讀/寫操作。當(dāng)寫入保護(hù)引腳連接到VCC時(shí)，寫入保護(hù)功能被啟用，并如表1所示進(jìn)行操作。

表1：寫保護(hù)管腳

1.3 原理圖設(shè)計(jì)

圖2：AT2C02原理圖設(shè)計(jì)

2. 軟件設(shè)計(jì)

2.1 器件地址寄存器

設(shè)備地址字由前四個(gè)最高有效位的強(qiáng)制性“1010”（0xA）序列組成，如圖4所示，這對(duì)所有串行EEPROM設(shè)備都是通用的。

圖3：AT2C02器件地址寄存器

接下來的三個(gè)位是1K和2K EEPROM的A2、A1和A0設(shè)備地址位。這三個(gè)位必須與其相應(yīng)的硬接線輸入引腳A2、A1、和A0進(jìn)行比較，以便部件進(jìn)行確認(rèn)。設(shè)備地址的第八位是讀/寫操作選擇位。如果該位為高，則啟動(dòng)讀操作，如果該位低，則啟動(dòng)寫操作。

2.2 寫操作

（1）單字節(jié)寫操作

EEPROM單字節(jié)寫操作如圖4所示。

圖4：字節(jié)寫操作時(shí)序圖

①主機(jī)產(chǎn)生起始信號(hào)（START）給從機(jī)；

②主機(jī)將控制命令（含器件地址DEveice address、WRITE）給從機(jī)；

③從機(jī)接收到控制命令后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；

④主機(jī)收到從機(jī)回傳的應(yīng)答信號(hào)（ACK）后，發(fā)送Word Address給從機(jī)；

⑤從機(jī)接收到寫地址后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；

⑥主機(jī)收到從機(jī)回傳的應(yīng)答信號(hào)（ACK）后，發(fā)送寫Data給從機(jī)；

⑦從機(jī)接收到寫數(shù)據(jù)后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；⑧主機(jī)收到從機(jī)回傳的應(yīng)答信號(hào)（ACK）后，產(chǎn)生STOP信號(hào)從機(jī)，單字節(jié)寫操作結(jié)束。

（2）頁寫操作

Atmel AT24C02，2K串行EEPROM：內(nèi)部組織32頁，每頁8字節(jié)，2K需要一個(gè)8位數(shù)據(jù)字地址用于隨機(jī)字尋址。

頁面寫入與字節(jié)寫入相同，但主機(jī)在第一個(gè)數(shù)據(jù)字被計(jì)時(shí)后不會(huì)發(fā)送停止條件。相反，在EEPROM確認(rèn)接收到第一個(gè)數(shù)據(jù)后，主機(jī)最多可以發(fā)送七個(gè)字節(jié)。在接收到每個(gè)數(shù)據(jù)字之后，EEPROM將以ACK作為響應(yīng)。主機(jī)必須在“停止”條件下終止頁面寫入序列。

在接收到每個(gè)數(shù)據(jù)字之后，數(shù)據(jù)字地址的低三位在內(nèi)部遞增。較高的數(shù)據(jù)字地址位不遞增，保留存儲(chǔ)器頁行位置。當(dāng)內(nèi)部生成的字地址到達(dá)頁面邊界時(shí)，下面的字節(jié)被放置在同一頁面的開頭。如果超過八個(gè)數(shù)據(jù)字被傳輸?shù)紼EPROM，數(shù)據(jù)字地址將“翻轉(zhuǎn)”，并且先前的數(shù)據(jù)將被覆蓋。

EEPROM頁寫操作如圖5所示，頁寫操作與單字節(jié)寫操作類似，不在描述。

圖5：頁寫操作時(shí)序圖

2.3 讀操作

（1）隨機(jī)讀操作

EEPROM隨機(jī)讀操作如圖6所示。

圖6：隨機(jī)讀操作時(shí)序圖

①主機(jī)產(chǎn)生起始信號(hào)（START）給從機(jī)；

②主機(jī)將控制命令（含器件地址DEveice address、WRITE）給從機(jī)；

③從機(jī)接收到控制命令后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；

④主機(jī)收到從機(jī)回傳的應(yīng)答信號(hào)（ACK）后，發(fā)送Word Address給從機(jī)；

⑤從機(jī)接收到讀地址后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；

⑥主機(jī)再次產(chǎn)生起始信號(hào)（START）給從機(jī)；

⑦主機(jī)將控制命令（含器件地址DEveice address、READ）給從機(jī)；

⑧從機(jī)接收到讀命令后，回傳應(yīng)答信號(hào)（ACK）給主機(jī)；

⑧~⑨主機(jī)收到從機(jī)回傳的應(yīng)答信號(hào)（ACK）后，開始接收從機(jī)發(fā)送過來的讀數(shù)據(jù)；

⑩數(shù)據(jù)接收完成后，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘的高電平無應(yīng)答信號(hào)；

?主機(jī)產(chǎn)生STOP信號(hào)從機(jī)，隨機(jī)讀操作結(jié)束。

注意，隨機(jī)讀操作先進(jìn)行了一次寫操作然后進(jìn)行讀操作。因?yàn)槲覀冃枰箯臋C(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)單元地址指針指向我們想要讀取的存儲(chǔ)單元地址處，所以首先發(fā)送了一次Dummy Write也就是虛寫操作，只所以稱為虛寫，是因?yàn)槲覀儾⒉皇钦娴囊獙憯?shù)據(jù)，而是通過這種虛寫操作使地址指針指向虛寫操作中字地址的位置，等從機(jī)應(yīng)答后，就可以以當(dāng)前地址讀的方式讀數(shù)據(jù)了。

（2）順序讀操作

I2C 順序讀操作就是對(duì)寄存器或存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的順序讀取。假如要讀取 n字節(jié)連續(xù)數(shù)據(jù)，只需寫入要讀取第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)n字節(jié)數(shù)據(jù)的順序讀取。EEPROM隨機(jī)讀操作如圖7所示。

圖7：順序讀操作時(shí)序圖

2.4 FPGA實(shí)現(xiàn)

（1）軟件實(shí)現(xiàn)
本文要利用FPGA通過I2C接口實(shí)現(xiàn)AT24C02 EEPROM讀寫操作。具體功能如下：

（1）I2C總線接口讀寫功能；

（2）將讀出的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上；

（3）按鍵消抖功能。軟件功能模塊劃分如圖8所示。

圖8：軟件功能模塊框圖

各個(gè)模塊功能：

（1）eeprom_byte_rd_wr.v模塊為頂層模塊，實(shí)現(xiàn)模塊間互聯(lián)；（2）i2c_ctrl.v實(shí)現(xiàn)I2C總線接口對(duì)外通信功能；
（3）i2c_rw_data.v實(shí)現(xiàn)I2C讀寫控制功能；
（4）Segma.v實(shí)現(xiàn)EEPROM讀出數(shù)據(jù)顯示功能；

（5）KeyJitters.v實(shí)現(xiàn)按鍵操作消抖功能。

?（2）測(cè)試結(jié)果

軟件下載至電路板，EEPROM讀出數(shù)據(jù)正常顯示在數(shù)碼管上，如圖9所示。

圖9：EEPROM讀出數(shù)據(jù)顯示