FPGA_ISP：IIC控制器的设计

最新推荐文章于 2025-07-30 12:17:35 发布

原创

最新推荐文章于 2025-07-30 12:17:35 发布 · 1.4k 阅读

21 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#IIC协议 #IIC控制器设计 #FPGA

本文详细介绍了FPGA如何通过IIC协议与EEPROM进行通信，涵盖了IIC协议的基本原理、时序分析以及在FPGA中的实现细节。作者通过设计任务——读写EEPROM来阐述IIC协议的应用，强调了FPGA实现IIC协议的优势在于其精确的时序控制和实时性。在程序设计部分，展示了模块化的FPGA代码，包括顶层模块、IIC驱动模块和读写模块，每个模块都详细描述了状态机和时钟控制。最后，作者对IIC协议的字地址发送和页写操作进行了思考和解释。

一、引言

IIC协议最早是我在学习单片机时接触的。那会，IIC协议就是作为器件间进行交互的两线协议，只要把几个功能函数的时序设计出来，IIC模块也就适用了这一类的外设。
但后来接触了FPGA，却一直没想过用输入输出的方式实现IIC，原因是觉得很麻烦，直到后来接触了FPGA控制摄像头，才明白这东西的重要性。
和以往GPIO来模仿IIC时序的方式相比，FPGA直接产生的时序，非常精准，实时性也高，而且具备一定的通用性，在摄像头配置、HDMI的EDID配置和EEPROM等存储设备上，有广泛的应用。

二、协议介绍

IIC协议，Inter Integrated Circuit，即集成电路总线。是由Philips半导体公司（如今是NXP半导体公司）在上世纪80年代初设计的一种“简单”、“双向”的二进制总线标准。多用于主机、从机在数据量不大且传输距离短的场合下通信。
在这里插入图片描述
IIC总线由数据线SDA与时钟线SCL共同构成通信线路，既能发送数据，也能接收数据。在主控与被控间可双向数据传送，数据传输速率标准模式下可达100kbit/s、快速模式下可达400kbit/s、高速模式下可达3.4mbit/s。被控器件均并联与总线上，通过slave addr器件地址识别。上述是我的达芬奇开发板的IIC总线物理拓扑结构。

Notes:
1° 从上述拓扑中，还可以发现，SDA和SCL都是有上拉电阻的，空闲状态下是高电平，当总线上任一器件输出低电平时，总线都会被拉低，表明诸多器件各自的SDA和SCL是“线与”的关系。
2° IIC总线有多主和主从两种工作方式，一般是主从的方式（达芬奇开发板）。在主从工作方式下，主机启动数据的发送（启动信号），并产生时钟信号，数据发送完了后，发出停止信号。

三、协议时序

在这里插入图片描述
上面这图是IIC的整体协议图。在IIC器件开始通信传输数据前，SCL和SDA被上拉而处于高电平（空闲状态）。如果FPGA（主机）想开始传输数据，只需SCL为高时，将SDA给拉低，来产生一个起始信号，从机检测到这个起始信号后，准备接收或发送数据，当接收或发送完成后，主机产生一个停止信号（SCL为高时，SDA从低变高），告诉从机数据传输结束。

在这里插入图片描述
IIC是两线结构，在时钟线下，数据线可以有顺序的传送数据。如上面所示，当SCL为低电平时，SDA允许改变传输的数据位（电平值），但当SCL为高电平后，SDA要求保持稳定，相当于一个时钟周期内传输1bit，经过8个时钟周期后，传输一个字节。第8个时钟周期末时，主机释放SDA以使从机应答，第9个时钟周期时，从机将SDA拉低以应答。如果第9个周期，SCL为高电平时，SDA未被检测到为低电平，则视为非应答，表明此次数据传输失败。第9个时钟周期末，从机释放SDA，以使主机继续传输数据，若主机发送停止信号，表示传输结束。另外，要注意：数据以8bit为单位串行发出，最先发送的是字节的最高位。如下面这图所示。
在这里插入图片描述

四、设计任务

这东西本来是该最开始说的，但规矩是死的…本次的任务：读写板卡上的EEPROM，0~255地址分别写入255到0的数据，写完再读取，IF正确则LED灯亮，否则灯闪烁。

五、一些说明

说明1：板卡上的EEPROM是由AT24C64来提供的，器件地址为1010 + 3位可编程地址，3位可编程地址由器件上的3个管脚A2、A1和A0的硬件连接来决定（分别接VCC或GND来实现），在我的达芬奇开发板上，3个管脚直接接地。

说明2：数据传输时，主机先向总线上发出开始信号，对应开始位S，然后按最高位到低位的方式，发送器件地址，一般为7bit，第8bit是读写控制位R/W，0表示主机对从机进行写操作，1表示主机对从机进行读操作，然后从机响应。在AT24C64中的传输器件地址格式为下图所示。
在这里插入图片描述
说明3：当发送完第一个字节（7bit器件地址和1bit读写控制位），并收到从机正确的应答后，就开始发送字地址（Word Address）。
说明4：主机发送完字地址，从机正确应答后，就把内部的存储单元地址指针指向该单位，IF为写命令，从机就处于接收数据的状态，此时，主机就开始写数据了，包括单次写（字节写）和连续写（页写），区别是发送完一个字节后，发送的是结束信号，还是下一个字节数据。
说明5：AT24C64引脚说明。
在这里插入图片描述

六、程序设计

1、模块架构：顶层e2prom_top、读写模块e2prom_rw、I2C驱动模块i2c_dri和LED灯显示模块led_alarm。
在这里插入图片描述
2、管脚约束。时钟50M，复位低电平有效，时钟线、数据线，LED灯线。

set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U7 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN F13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_scl]
set_property -dict {PACKAGE_PIN A19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports iic_sda]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V9 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports led]

3、e2prom_top层代码。

// top 主要是模块的例化
module e2prom_top(
    input               sys_clk    ,      //系统时钟
    input               sys_rst_n  ,      //系统复位
    //eeprom interface
    output              iic_scl    ,      //eeprom的时钟线scl
    inout               iic_sda    ,      //eeprom的数据线sda
    //user interface
    output              led               //led显示
);

//parameter define
parameter    SLAVE_ADDR = 7'b1010000    ; //器件地址(SLAVE_ADDR)
parameter    BIT_CTRL   = 1'b1          ; //字地址位控制参数(16b/8b)
parameter    CLK_FREQ   = 26'd50_000_000; //i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
parameter    I2C_FREQ   = 18'd250_000   ; //I2C的SCL时钟频率
parameter    L_TIME     = 17'd125_000   ; //led闪烁时间参数

//wire define
wire           dri_clk   ; //I2C操作时钟
wire           i2c_exec  ; //I2C触发控制
wire   [15:0]  i2c_addr  ; //I2C操作地址
wire   [ 7:0]  i2c_data_w; //I2C写入的数据
wire           i2c_done  ; //I2C操作结束标志
wire           i2c_ack   ; //I2C应答标志 0:应答 1:未应答
wire           i2c_rh_wl ; //I2C读写控制
wire   [ 7:0]  i2c_data_r; //I2C读出的数据
wire           rw_done   ; //E2PROM读写测试完成
wire           rw_result ; //E2PROM读写测试结果 0:失败 1:成功 

//*****************************************************
//**                    main code
//*****************************************************

//e2prom读写测试模块
e2prom_rw u_e2prom_rw(
    .clk         (dri_clk   ),  //时钟信号
    .rst_n       (sys_rst_n ),  //复位信号
    //i2c interface
    .i2c_exec    (i2c_exec  ),  //I2C触发执行信号
    .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),  //I2C读写控制信号
    .i2c_addr    (i2c_addr  ),  //I2C器件内地址
    .i2c_data_w  (i2c_data_w),  //I2C要写的数据
    .i2c_data_r  (i2c_data_r),  //I2C读出的数据
    .i2c_done    (i2c_done  ),  //I2C一次操作完成
    .i2c_ack     (i2c_ack   ),  //I2C应答标志 
    //user interface
    .rw_done     (rw_done   ),  //E2PROM读写测试完成
    .rw_result   (rw_result )   //E2PROM读写测试结果 0:失败 1:成功
);

//i2c驱动模块
i2c_dri #(
    .SLAVE_ADDR  (SLAVE_ADDR),  //EEPROM从机地址
    .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  ),  //模块输入的时钟频率
    .I2C_FREQ    (I2C_FREQ  )   //IIC_SCL的时钟频率
) u_i2c_dri(
    .clk         (sys_clk   ),  
    .rst_n       (sys_rst_n ),  
    //i2c interface
    .i2c_exec    (i2c_exec  ),  //I2C触发执行信号
    .bit_ctrl    (BIT_CTRL  ),  //器件地址位控制(16b/8b)
    .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),  //I2C读写控制信号
    .i2c_addr    (i2c_addr  ),  //I2C器件内地址
    .i2c_data_w  (i2c_data_w),  //I2C要写的数据
    .i2c_data_r  (i2c_data_r),  //I2C读出的数据
    .i2c_done    (i2c_done  ),  //I2C一次操作完成
    .i2c_ack     (i2c_ack   ),  //I2C应答标志
    .scl         (iic_scl   ),  //I2C的SCL时钟信号
    .sda         (iic_sda   ),  //I2C的SDA信号
    //user interface
    .dri_clk     (dri_clk   )   //I2C操作时钟
);

//led指示模块
led_alarm #(.L_TIME(L_TIME  )   //控制led闪烁时间
) u_led_alarm(
    .clk         (dri_clk   ),  
    .rst_n       (sys_rst_n ), 
    
    .rw_done     (rw_done   ),  
    .rw_result   (rw_result ),
    .led         (led