I2C通信模块的设计和“AT24C64 型号的EEPROM 芯片通信”实践

I2C通信模块的设计和“AT24C64 型号的EEPROM 芯片通信”实践

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与非网

1.

https://www.eefocus.com/article/1750309.html

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是一种串行通信协议，广泛应用于嵌入式系统中，用于连接微控制器和各种外设。本文将详细介绍I2C通信协议的基本原理、FPGA模块设计以及与AT24C64 EEPROM芯片的通信实践。

I2C通信协议及FPGA模块设计

I2C总线使用两条线在主控制器和从机之间进行数据通信：SCL（串行时钟线）和SDA（串行数据线）。这两条线都需要接上拉电阻。I2C通信是半双工的，因为仅有一根数据线。

I2C总线有标准模式（100kb/s）和快速模式（400kb/s）两种。在一个I2C总线中，支持多个从设备，每个从设备都有不同的器件地址，这样I2C主控制器就可以通过I2C设备的器件地址访问指定的I2C设备。

I2C协议基本术语

• 起始信号：在SCL为高电平期间，SDA出现下降沿就表示产生起始信号。起始信号产生后总线处于占用状态。
• 停止信号：在SCL为高电平期间，SDA出现上升沿就表示为停止信号。停止信号产生后总线被释放，处于空闲状态。
• 数据传输：I2C总线在进行数据传输时要保证在SCL高电平期间，SDA上的数据稳定，因此SDA上的数据变化只能在SCL低电平期间发生。数据传送时，先传送最高位，后传送低位。
• 应答信号：当I2C主机发送完8bit数据后会将SDA设置为输入状态，等待I2C从机应答。从机通过将SDA拉低来表示发出应答信号（ACK，低有效），表示通信成功，否则表示通信失败（NACK）。

FPGA模块设计要求

设计一个I2C模块，需要满足以下要求：

• 支持总线仲裁丢失检测
• 支持总线忙状态检测
• 支持不同的I2C通信模式：标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz）
• 支持产生起始、终止、重复起始和应答信息
• 支持起始、终止和重复起始检测
• 支持7位寻址模式
• 支持中断

主要包括8个8位宽的寄存器：

• I2C分频值低字节寄存器
• I2C分频值高字节寄存器
• I2C控制寄存器
• I2C发送数据寄存器
• I2C接受数据寄存器
• I2C命令寄存器
• I2C状态寄存器
• I2C总线死锁时间寄存器

根据I2C协议，需要设计一个状态机，对应I2C的通信过程。每个状态都需要持续多个周期，所以针对每个状态细分了几个子状态。

I2C有两个外部接口：I2C_SCL和I2C_SDA。对于I2C_SCL，这里只设计I2C主模式，所以对于FPGA来说，I2C_SCL始终是输出。对于I2C_SDA，在主模式下，在接收响应的状态下是输入，其他情况下为输出。为了便于接口管理，将I2C_SCL和I2C_SDA都设计为IOBUF。

主机读写数据时序

主机写数据

1. 主机操作命令寄存器，使能开始命令，使I2C总线发送开始信号。
2. 主机操作发送数据寄存器，写入从机地址+读写位，决定访问哪个从机。这是一个8位的数据，其中高7位是从机地址，最后1位是读写位。1表示读操作，0表示写操作（对主机而言）。这里读写位为0。
3. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
4. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
5. 主机操作发送数据寄存器，写入从机存储地址，决定待发送数据存储在从机哪里。
6. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
7. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
8. 主机操作发送数据寄存器，写入8bit的待发送数据。
9. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
10. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
11. 重复步骤8到10，不断向从机写数据。
12. 主机操作命令寄存器，使能结束命令，使I2C总线结束传输数据。
13. 每次传输结束后需要延时，保证下次能正常开始传输。

主机读数据

1. 主机操作命令寄存器，使能开始命令，使I2C总线发送开始信号。
2. 主机操作发送数据寄存器，写入从机地址+读写位，决定访问哪个从机。这是一个8位的数据，其中高7位是从机地址，最后1位是读写位。1表示读操作，0表示写操作（对主机而言）。这里读写位为0。
3. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
4. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
5. 主机操作发送数据寄存器，写入从机存储地址，主机将会从该地址读取数据。
6. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
7. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
8. 主机操作命令寄存器，使能开始命令（这种情况是重复起始），使I2C总线发送开始信号。
9. 主机操作发送数据寄存器，写入从机地址+读写位。这里读写位为1。
10. 主机操作命令寄存器，使能写命令，使I2C总线开始传输数据。
11. 主机读取状态寄存器的TIP位，以确保命令执行完毕。
12. 主机操作命令寄存器，使能读命令和应答命令，使I2C总线开始接收数据。
13. 主机操作接收数据寄存器，读取接收到的8bit的数据。
14. 重复步骤12到13，不断从从机读数据。
15. 当主机需要停止从从机读数据时，操作命令寄存器，使能读命令，但不使能应答命令，读取最后一个字节的数据。

APB接口设计

可以将I2C模块作为一个APB外设，挂在APB总线上。在config.h文件中定义了9路APB地址，默认使用APB0作为GPIO，现在为I2C模块分配APB5，对应地址为0xbfe90000。

//APB0    
`define APB_SLV0_ADDR_BASE  32'hbfeb0000  //APB0 base address  
`define APB_SLV0_ADDR_LEN  32'h0000ffff  //APB0 length  
//APB1      
`define APB_SLV1_ADDR_BASE  32'hbfec0000  //APB1 base address  
`define APB_SLV1_ADDR_LEN  32'h0000ffff  //APB1 length  
//APB2      
`define APB_SLV2_ADDR_BASE  32'hbfed0000  //APB2 base address  
`define APB_SLV2_ADDR_LEN  32'h0000ffff  //APB3 length  
//APB3      
`define APB_SLV3_ADDR_BASE  32'hbfea0000  //APB3 base address  
`define APB_SLV3_ADDR_LEN  32'h0000ffff  //APB3 length  
//APB4      
`define APB_SLV4_ADDR_BASE  32'hbfe88000  //APB4 base address  
`define APB_SLV4_ADDR_LEN  32'h00000fff  //APB4 length  
//APB5      
`define APB_SLV5_ADDR_BASE  32'hbfe90000  //APB5 base address  
`define APB_SLV5_ADDR_LEN  32'h0000ffff  //APB5 length  

最后实现的结构框图如下所示：

在顶层文件godson_mcu_top.v中例化设计的模块，并在约束文件中将例化好的I2C的输出引脚与原理图上的合适引脚进行连接。

软件设计：基于I2C模块与AT24C64的EEPROM芯片通信

硬件I2C模块设计过程中为APB分配的地址是0xbfe90000，并且I2C相关寄存器的偏移地址是0x00 0x01 0x02 0x03 0x04，软件上需要对应好。一个不错的方法是用结构体指针来访问寄存器。由于这个结构体指针使用频率很高，所以通过宏定义进行重命名(I2C)。

I2C读写AT24C64函数实现

写一个字节

void AT24CXX_WriteByte(uint16_t u16Addr, uint8_t u8Data)  
{  
    soc_I2C_GenerateSTART(ENABLE); // 起始信号
    soc_I2C_SendData(DEV_ADDR | WRITE_CMD); // 器件寻址+读/写选择
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_SendData((uint8_t)((u16Addr >> 8) & 0xFF)); 
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_SendData((uint8_t)(u16Addr & 0xFF)); 
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_SendData(u8Data); 
    soc_I2C_wait(); 
    soc_I2C_GenerateSTOP(ENABLE); // 停止信号
    soc_I2C_delay(20); // 需要延时 2u ，保证下次能正常开始传输
}  

读一个字节

uint8_t AT24CXX_ReadByte(uint16_t u16Addr)  
{  
    uint8_t u8Data = 0; 
    soc_I2C_GenerateSTART(ENABLE); // 起始信号
    soc_I2C_SendData(DEV_ADDR | WRITE_CMD); // 器件寻址+读/写选择
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_SendData((uint8_t)((u16Addr >> 8) & 0xFF)); 
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_SendData((uint8_t)(u16Addr & 0xFF)); 
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_GenerateSTART(ENABLE); // 重复起始信号
    soc_I2C_SendData(DEV_ADDR | READ_CMD); // 器件寻址+读/写选择
    soc_I2C_wait();  
    u8Data = soc_I2C_ReceiveData(); 
    soc_I2C_wait();  
    soc_I2C_GenerateSTOP(ENABLE); // 停止信号
    return u8Data;
}  

这里需要注意的是，对芯片完成单字节写入或者页面写入命令后需要延时10ms。因为设备在此期间将不会对新的命令作出响应。延时之后再进行读命令才可以读到刚写入的数据。

可以在main.c中调用相应函数验证I2C通信。