RTC时钟实验
本节的实验任务是通过领航者Zynq开发板上的PCF8563实时时钟芯片，在 RGB LCD 液晶屏上来显示时间。
PCF8563 简介
PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工业级多功能时钟/日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务。其内部功能模块的框图如下图所示：
PCF8563 有 16 个可寻址的 8 位寄存器， 但不是所有位都有用到。前两个寄存器（内存地址 00H、01H）用作控制寄存器和状态寄存器（CONTROL_STATUS）；内存地址 02H~08H 用作 TIME 计时器(秒~年计时器)； 地址 09H~0CH 用于报警（ALARM）寄存器(定义报警条件)； 地址 0DH 控制 CLKOUT 管脚的输出频率；地址 0EH 和 0FH 分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。 PCF8563 通过 I2C 接口与 Zynq 进行通信
秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器中的数据编码格式为 BCD，用的是8421BCD码 ,只有星期和星期报警寄存器中的数据不以 BCD 格式编码。 BCD 码（Binary-Coded Decimal）是一种二进制的数字编码形式，用四个二进制位来表示一位十进制数（0~9） ，能够使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行 。
硬件设计
领航者开发板上 PCF8563 接口部分的原理图如下图所示
PCF8563 作为 I2C 接口的从器件与 EEPROM 等模块统一挂接在领航者开发板上的 IIC 总线上。OSCI、 OSCO 与外部 32.768KHz 的晶振相连， 为芯片提供驱动时钟； SCL 和 SDA 分别是 I2C 总线的串行时钟接口和串行数据接口。
程序设计
根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程： ZYNQ 首先通过 I2C 总线向 PCF8563 写入初始时间值，然后不断地读取时间数据，并将读到的时间数据显示到 LCD 上。 由此画出系统的功能框图如下所示：
由系统框图可知， 顶层模块（rtc_lcd）例化了以下三个模块，分别是 IIC 驱动模块（iic_dri） 、PCF8563 控制模块（pcf8563_ctrl）和 LCD 字符显示模块（lcd_disp_char） 。 其中 LCD 字符显示模块例化了读取 ID 模块（rd_id）、时钟分频模块（clk_div） 、 LCD 显示模块（lcd_display）以及 LCD 驱动模块（lcd_driver）
各模块端口及信号连接如图 23.4.2 所示：
PCF8563 实时时钟控制模块（pcf8563_ctrl）通过与 IIC 驱动模块（iic_dri）进行通信来实现对 PCF8563 实时时钟数据的读取； PCF8563 实时时钟控制模块（pcf8563_ctrl）再将从 IIC 读取的时间数据送给 LCD 字符显示模块（lcd_disp_char），以进行显示。
顶层模块
module rtc_lcd( input sys_clk, //系统时钟 input sys_rst_n, //系统复位 //RGB LCD接口 output lcd_de, //LCD 数据使能信号 output lcd_hs, //LCD 行同步信号 output lcd_vs, //LCD 场同步信号 output lcd_bl, //LCD 背光控制信号 output lcd_clk, //LCD 像素时钟 inout [23:0] lcd_rgb, //LCD RGB888颜色数据 //RTC实时时钟 output iic_scl, //RTC的时钟线scl inout iic_sda //RTC的数据线sda ); //parameter define parameter SLAVE_ADDR = 7'b101_0001 ; //器件地址(SLAVE_ADDR) parameter BIT_CTRL = 1'b0 ; //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 TIME_INIT = 48'h19_01_01_09_30_00;//初始时间 //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 [7:0] sec ; //秒 wire [7:0] min ; //分 wire [7:0] hour ; //时 wire [7:0] day ; //日 wire [7:0] mon ; //月 wire [7:0] year ; //年 //***************************************************** //** main code //***************************************************** //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 ), .bit_ctrl (BIT_CTRL ), .i2c_rh_wl (i2c_rh_wl ), .i2c_addr (i2c_addr ), .i2c_data_w (i2c_data_w), .i2c_data_r (i2c_data_r), .i2c_done (i2c_done ), .i2c_ack (i2c_ack ), .scl (iic_scl ), .sda (iic_sda ), //user interface .dri_clk (dri_clk ) ); //PCF8563控制模块 pcf8563_ctrl #( .TIME_INIT (TIME_INIT) )u_pcf8563_ctrl( .clk (dri_clk ), .rst_n (sys_rst_n ), //IIC .i2c_rh_wl (i2c_rh_wl ), .i2c_exec (i2c_exec ), .i2c_addr (i2c_addr ), .i2c_data_w (i2c_data_w), .i2c_data_r (i2c_data_r), .i2c_done (i2c_done ), //时间和日期 .sec (sec ), .min (min ), .hour (hour ), .day (day ), .mon (mon ), .year (year ) ); //LCD字符显示模块 lcd_disp_char u_lcd_disp_char( .sys_clk (sys_clk ), .sys_rst_n (sys_rst_n ), //时间和日期 .sec (sec ), .min (min ), .hour (hour ), .day (day ), .mon (mon ), .year (year ), //RGB LCD接口 .lcd_de (lcd_de ), .lcd_hs (lcd_hs ), .lcd_vs (lcd_vs ), .lcd_bl (lcd_bl ), .lcd_clk (lcd_clk ), .lcd_rgb (lcd_rgb ) ); endmodule
IIC驱动模块
module i2c_dri
#(
parameter SLAVE_ADDR = 7'b1010000 , //EEPROM从机地址
parameter CLK_FREQ = 26'd50_000_000, //模块输入的时钟频率
parameter I2C_FREQ = 18'd250_000 //IIC_SCL的时钟频率
)
(
input clk ,
input rst_n ,
//i2c interface
input i2c_exec , //I2C触发执行信号
input bit_ctrl , //字地址位控制(16b/8b)
input i2c_rh_wl , //I2C读写控制信号
input [15:0] i2c_addr , //I2C器件内地址
input [ 7:0] i2c_data_w , //I2C要写的数据
output reg [ 7:0] i2c_data_r , //I2C读出的数据
output reg i2c_done , //I2C一次操作完成
output reg i2c_ack , //I2C应答标志 0:应答 1:未应答
output reg scl , //I2C的SCL时钟信号
inout sda , //I2C的SDA信号
//user interface
output reg dri_clk //驱动I2C操作的驱动时钟
);
//localparam define
localparam st_idle = 8'b0000_0001; //空闲状态
localparam st_sladdr = 8'b0000_0010; //发送器件地址(slave address)
localparam st_addr16 = 8'b0000_0100; //发送16位字地址
localparam st_addr8 = 8'b0000_1000; //发送8位字地址
localparam st_data_wr = 8'b0001_0000; //写数据(8 bit)
localparam st_addr_rd = 8'b0010_0000; //发送器件地址读
localparam st_data_rd = 8'b0100_0000; //读数据(8 bit)
localparam st_stop = 8'b1000_0000; //结束I2C操作
//reg define
reg sda_dir ; //I2C数据(SDA)方向控制
reg sda_out ; //SDA输出信号
reg st_done ; //状态结束
reg wr_flag ; //写标志
reg [ 6:0] cnt ; //计数
reg [ 7:0] cur_state ; //状态机当前状态
reg [ 7:0] next_state; //状态机下一状态
reg [15:0] addr_t ; //地址
reg [ 7:0] data_r ; //读取的数据
reg [ 7:0] data_wr_t ; //I2C需写的数据的临时寄存
reg [ 9:0] clk_cnt ; //分频时钟计数
//wire define
wire sda_in ; //SDA输入信号
wire [8:0] clk_divide ; //模块驱动时钟的分频系数
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//SDA控制
assign sda = sda_dir ? sda_out : 1'bz; //SDA数据输出或高阻
assign sda_in = sda ; //SDA数据输入
assign clk_divide = (CLK_FREQ/I2C_FREQ) >> 2'd2;//模块驱动时钟的分频系数
//生成I2C的SCL的四倍频率的驱动时钟用于驱动i2c的操作
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
dri_clk <= 1'b0;
clk_cnt <= 10'd0;
end
else if(clk_cnt == clk_divide[8:1] - 1'd1) begin
clk_cnt <= 10'd0;
dri_clk <= ~dri_clk;
end
else
clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
end
//(三段式状态机)同步时序描述状态转移
always @(posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cur_state <= st_idle;
else
cur_state <= next_state;
end
//组合逻辑判断状态转移条件
always @(*) begin
next_state = st_idle;
case(cur_state)
st_idle: begin //空闲状态
if(i2c_exec) begin
next_state = st_sladdr;
end
else
next_state = st_idle;
end
st_sladdr: begin
if(st_done) begin
if(bit_ctrl) //判断是16位还是8位字地址
next_state = st_addr16;
else
next_state = st_addr8 ;
end
else
next_state = st_sladdr;
end
st_addr16: begin //写16位字地址
if(st_done) begin
next_state = st_addr8;
end
else begin
next_state = st_addr16;
end
end
st_addr8: begin //8位字地址
if(st_done) begin
if(wr_flag==1'b0) //读写判断
next_state = st_data_wr;
else
next_state = st_addr_rd;
end
else begin
next_state = st_addr8;
end
end
st_data_wr: begin //写数据(8 bit)
if(st_done)
next_state = st_stop;
else
next_state = st_data_wr;
end
st_addr_rd: begin //写地址以进行读数据
if(st_done) begin
next_state = st_data_rd;
end
else begin
next_state = st_addr_rd;
end
end
st_data_rd: begin //读取数据(8 bit)
if(st_done)
next_state = st_stop;
else
next_state = st_data_rd;
end
st_stop: begin //结束I2C操作
if(st_done)
next_state = st_idle;
else
next_state = st_stop ;
end
default: next_state= st_idle;
endcase
end
//时序电路描述状态输出
always @(posedge dri_clk or negedge rst_n) begin
//复位初始化
if(!rst_n) begin
scl <= 1'b1;
sda_out <= 1'b1;
sda_dir <= 1'b1;
i2c_done <= 1'b0;
i2c_ack <= 1'b0;
cnt <= 1'b0;
st_done <= 1'b0;
data_r <= 1'b0;
i2c_data_r<= 1'b0;
wr_flag <= 1'b0;
addr_t <= 1'b0;
data_wr_t <= 1'b0;
end
else begin
st_done <= 1'b0 ;
cnt <= cnt +1'b1 ;
case(cur_state)
st_idle: begin //空闲状态
scl <= 1'b1;
sda_out <= 1'b1;
sda_dir <= 1'b1;
i2c_done<= 1'b0;
cnt <= 7'b0;
if(i2c_exec) begin
wr_flag <= i2c_rh_wl ;
addr_t <= i2c_addr ;
data_wr_t <= i2c_data_w;
i2c_ack <= 1'b0;
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