【FPGA】IIC协议通用主机接口的设计与实现详解

一、认识IIC

        IIC（I2C）协议是一种串行通信协议，用于连接微控制器和外围设备。IIC协议只需要两根信号线（时钟线SCL和数据线SDA）就能完成设备之间的通信；支持多主机和多从机通信，通过设备地址区分不同的设备；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；具有应答机制，可以检测数据的正确性和设备的存在性。

二、协议详解

        在闲置状态时，时钟线和数据线都会保持高电平。IIC协议的具体传输过程如下：

        1. 主机发送起始信号，即在时钟线SCL保持高电平的情况下，数据线SDA由高电平向低电平跳变。
        2. 主机发送从机设备地址和读写控制位，从机的设备地址一般为7位，读写控制位为1位，0表示写操作，1表示读操作。主机在发送完8位数据后，释放数据线SDA，等待从机的应答信号。
        3. 从机接收到地址和控制位后，进行地址识别，如果匹配，则在下一个时钟周期内，将数据线SDA拉低，表示应答信号。如果不匹配，则保持数据线SDA为高电平，等待主机发送停止信号或新的起始信号。
        4. 如果主机发送的是写操作，那么主机继续发送数据字节，每发送一个字节后，释放数据线SDA，等待从机的应答信号。如果从机接收到数据字节后，将数据线SDA拉低，表示应答信号。如果从机无法接收数据字节或者发生错误，那么保持数据线SDA为高电平，等待主机发送停止信号或新的起始信号。
        5. 如果主机发送的是读操作，那么主机释放数据线SDA，由从机发送数据字节。每接收一个字节后，主机根据需要发送应答信号或非应答信号。应答信号表示主机需要继续接收数据字节，非应答信号表示主机已经接收完毕或者发生错误。非应答信号由主机在最后一个时钟周期内将数据线SDA拉高实现。
        6. 主机发送停止信号，即在时钟线SCL保持高电平的情况下，数据线SDA由低电平向高电平跳变。停止信号表示一次IIC通信的结束。

        重要的起始位和结束位如下图所示，且在IIC协议中，控制数据线的设备会在SCL为低电平时控制SDA数据线，在SCL为高电平时对SDA数据线进行采样：

三、具体读写时序

        具体读写时序图类似下图，这是我从一个支持IIC协议的设备的手册上截取下来的，值得一提的是，在下图中，灰色部分表示的是数据总线SDA由主机操纵，白色部分表示数据总线SDA由从机操纵。

        写数据时（如下图的I2C Register Wr）：首先是主机发送一个起始位，接着是七位宽的设备地址加上一位宽的写控制位，从机响应一次；然后主机发送一字节的寄存器地址，从机响应一次；然后由主机发送一字节以上的数据，从机响应；最后发送一个停止位。

       读数据时（如下图的I2C Register Rd）：首先是主机发送一个起始位，接着是七位宽的设备地址加上一位宽的写控制位；然后是主机发送寄存器地址，从机应答；再重新发送一次起始位，设备地址和读控制位，用于表示接下来是要进行读操作，从机应答；从机发送数据，主机应答，在得到最后一字节数据后，由主机发送一个非应答信号；最后发送一个停止位。

四、设计部分

        网站上大家对于iic的设计已经有非常详细的讲解了，这里就不再做太简单的说明，以下主要是我对于IIC的个人方面的一些理解和设计。

        1.接口设计

        作为被广泛使用的协议，我们在设计时应该尽可能的设计成通用模块，以便下一次能够直接使用。因此，模块的接口定义应为如图所示：

        clk  为输入时钟；

        rst  为复位信号（高有效）；

        txdat  表示需要通过IIC输出的数据；

        txget  表示已输出该字节的信号；

        rxdat  表示从sda获得的数据；

        rxvld  表示数据有效；

        dev_addr  表示设备地址；

        reg_addr  表示读写地址（寄存器地址）；

        cmd_op  表示读写指令；

        op_byte_num  表示读写字节数；

        iic_work_en  表示模块开始工作信号；

        busy  表示工作状态信号；

        scl  表示IIC时钟；

        sda  表示IIC数据；

        2.状态机设计

        因为要做一个IIC协议会比较复杂，所以说这里采用状态机的形式，以理清每一个操作。但是一般我们看到的IIC状态设计、包括在之前我设计IIC时，都会将每一个操作都分为一个状态，例如，起始位是一个状态，发送设备地址是一个状态，读写控制位是一个状态，接收应答和发送非应答分别为一个状态等等，这样的划分十分的细致，每一个操作都能一目了然，但我认为这样做的同时会使得状态的跳转更加的复杂，使得整个状态机变得十分的臃肿，如下图。

我以前的IIC状态框图设计

        于是，我便重新构思了一下设计方案：以9位（9bit）为一个进行周期设计，即每9位或1位为一个状态。具体状态如下：

        状态一：IDLE  表示闲置状态；

        状态二：START  表示起始位；

        状态三：DEV_CMD  表示设备地址位、读写控制位宽和从机的应答位；

        状态四：ADDR  表示发送寄存器地址位和接收从机的应答位；

        状态五：WDATA  表示写数据部分；

        状态六：RDATA  表示读数据部分；

        状态七：STOP  表示停止位；

重新设计的IIC状态框图

        3.时序设计

        写数据时序：

        读数据时序：

        4.代码设计

        首先，定义模块

        其中，我使用的时钟为100Mhz，复位信号为高电平有效：

module i2c_master_interface #(parameter ADDR_LEN  =   1,parameter IIC_CLOCK =   400000) (input           i_clk           ,input           i_rst           ,input   [7:0]   i_txdat         ,output          o_txget         ,output  [7:0]   o_rxdat         ,output          o_rxvld         ,input   [6:0]   i_dev_addr      ,input [ADDR_LEN*8-1:0] i_reg_addr,input           i_cmd_op        ,input   [3:0]   i_op_byte_num   ,input           i_iic_work_en   ,output          o_busy          ,//output o_output_en,inout           io_scl          ,inout           io_sda           
);endmodule

        第二步，进行参数的定义

localparam  SCL_PERIOD  =   1000/(IIC_CLOCK/100000) ,   // in_clk = 100MHzSCL_HALF    =   SCL_PERIOD >> 1         ,LOW_HALF    =   SCL_HALF >> 1           ,HIGH_HALF   =   (SCL_PERIOD+SCL_HALF)>>1;localparam  IDLE    =   7'b000_0001,START   =   7'b000_0010,DEV_CMD =   7'b000_0100,ADDR    =   7'b000_1000,WDATA   =   7'b001_0000,RDATA   =   7'b010_0000,STOP    =   7'b100_0000;localparam  WRITE_BIT   =   1'b0,READ_BIT    =   1'b1,OP_WRITE    =   1'b0,OP_READ     =   1'b1;

        第三步，定义需要用到的信号

reg [6:0]   state_c ;
reg [6:0]   state_n ;reg [7:0]   cnt_scl ;
reg         reg_scl ;
reg [3:0]   cnt_bit ;
wire        end_cnt_bit;
reg [3:0]   bit_num ;
reg         rw_bit  ;reg [3:0]   cnt_byte;
reg [3:0]   op_byte_num     ;reg [ADDR_LEN*8-1:0] reg_addr_1;
reg [7:0]   reg_addr_2      ;reg [7:0]   reg_txdat       ;
reg         txget           ;reg         reg_sda         ;
reg         reg_i_sda       ;
reg [7:0]   rx_data         ;
reg         reg_ack         ;
reg         rxvld           ;
reg         busy            ;wire o_sda;
wire i_sda;
wire o_scl;
wire i_scl;
wire output_en;

        第四步，构造有限状态机

        依照逻辑，状态机的跳转条件如下：

// FMS
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginstate_c <= IDLE;endelse beginstate_c <= state_n;end
endalways @(*) begincase (state_c)IDLE    : beginif (i_iic_work_en) beginstate_n = START;endelse beginstate_n = state_c;endendSTART   : beginif (end_cnt_bit) beginstate_n = DEV_CMD;endelse beginstate_n = state_c;endendDEV_CMD : beginif (end_cnt_bit && reg_ack) begin   // NO ACKstate_n = IDLE;endelse if ((rw_bit == WRITE_BIT) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin   //state_n = ADDR;endelse if ((rw_bit == READ_BIT) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin    //state_n = RDATA;endelse beginstate_n = state_c;endendADDR    : beginif (end_cnt_bit && reg_ack) beginstate_n = IDLE;endelse if ((i_cmd_op == OP_WRITE) && (cnt_byte == (ADDR_LEN - 1)) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin  //state_n = WDATA;endelse if ((i_cmd_op == OP_READ) && (cnt_byte == (ADDR_LEN - 1)) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin  //state_n = START;endelse beginstate_n = state_c;endendWDATA   : beginif (end_cnt_bit && reg_ack) beginstate_n = IDLE;endelse if ((cnt_byte == (op_byte_num - 1)) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin  //state_n = STOP;endelse beginstate_n = state_c;endendRDATA   : beginif ((cnt_byte == (op_byte_num - 1)) && end_cnt_bit) begin   //state_n = STOP;endelse beginstate_n = state_c;endendSTOP    : beginif (end_cnt_bit) beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n = state_c;endenddefault: state_n = IDLE;endcase
end

        第五步，构造中间逻辑

// cnt_bit  bit_num
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) begincnt_bit <= 0;endelse if ((state_c != IDLE) && (cnt_scl == (SCL_PERIOD - 1))) beginif (end_cnt_bit) begincnt_bit <= 0;endelse begincnt_bit <= cnt_bit + 1;endend
end
assign end_cnt_bit = (state_c != IDLE) && (cnt_scl == (SCL_PERIOD - 1)) && (cnt_bit == (bit_num - 1));always @(*) begincase (state_c)IDLE    : bit_num = 0;START   : bit_num = 1;DEV_CMD : bit_num = 9;ADDR    : bit_num = 9;WDATA   : bit_num = 9;RDATA   : bit_num = 9;STOP    : bit_num = 1;default : bit_num = 0;endcase
end// rw_bit
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginrw_bit <= WRITE_BIT;endelse begincase (i_cmd_op)OP_WRITE : rw_bit <= WRITE_BIT;OP_READ  : beginif ((state_c == STOP) && end_cnt_bit) beginrw_bit <= WRITE_BIT;endelse if ((state_c == DEV_CMD) && (rw_bit == WRITE_BIT) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) begin   //rw_bit <= READ_BIT;endenddefault  : rw_bit <= rw_bit;endcaseend
end// cnt_byte  op_byte_num
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) begincnt_byte <= 0;endelse if (state_c == IDLE) begincnt_byte <= 0;endelse if ((state_c == ADDR) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) beginif (cnt_byte == (ADDR_LEN - 1)) begincnt_byte <= 0;endelse begincnt_byte <= cnt_byte + 1;endendelse if ((state_c == RDATA || state_c == WDATA) && end_cnt_bit && (reg_ack == 0)) beginif (cnt_byte == (op_byte_num - 1)) begincnt_byte <= 0;endelse begincnt_byte <= cnt_byte + 1;endend
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginop_byte_num <= 1;endelse if ((state_c == START) && end_cnt_bit) beginop_byte_num <= i_op_byte_num;end
end// reg_addr_1  reg_addr_2
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_addr_1 <= 0;endelse if ((state_c == START) && end_cnt_bit) beginreg_addr_1 <= i_reg_addr;end
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_addr_2 <= 0;endelse if (state_c == ADDR) beginreg_addr_2 <= reg_addr_1[((ADDR_LEN - cnt_byte)*8-1) -: 8];  //end
end// reg_txdat  txget
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_txdat <= 8'hff;endelse if (state_c == WDATA) beginreg_txdat <= i_txdat;end
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) begintxget <= 1'b0;endelse if ((state_c == WDATA) && end_cnt_bit) begintxget <= 1'b1;endelse begintxget <= 1'b0;end
end

        第六步，构建SCL上的逻辑

// cnt_scl  reg_scl
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) begincnt_scl <= 0;endelse if (state_c != IDLE) beginif (cnt_scl == (SCL_PERIOD - 1)) begincnt_scl <= 0;endelse begincnt_scl <= cnt_scl + 1;endend
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_scl <= 0;endelse if (cnt_scl == SCL_HALF - 1) beginreg_scl <= 1;endelse if (cnt_scl == SCL_PERIOD - 1) beginreg_scl <= 0;endelse beginreg_scl <= reg_scl;end
end

        第七步，构建SDA上的逻辑

// reg_sda
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_sda <= 1'b1;endelse begincase (state_c)START   : beginif (cnt_scl == LOW_HALF - 1) beginreg_sda <= 1'b1;endelse if (cnt_scl == HIGH_HALF -1) beginreg_sda <= 1'b0;endendDEV_CMD : beginif (cnt_scl == LOW_HALF - 1) begincase (cnt_bit)0 : reg_sda <= i_dev_addr[6];1 : reg_sda <= i_dev_addr[5];2 : reg_sda <= i_dev_addr[4];3 : reg_sda <= i_dev_addr[3];4 : reg_sda <= i_dev_addr[2];5 : reg_sda <= i_dev_addr[1];6 : reg_sda <= i_dev_addr[0];7 : reg_sda <= rw_bit;default: reg_sda <= reg_sda;endcaseendendADDR    : beginif (cnt_scl == LOW_HALF - 1) begincase (cnt_bit)0 : reg_sda <= reg_addr_2[7];1 : reg_sda <= reg_addr_2[6];2 : reg_sda <= reg_addr_2[5];3 : reg_sda <= reg_addr_2[4];4 : reg_sda <= reg_addr_2[3];5 : reg_sda <= reg_addr_2[2];6 : reg_sda <= reg_addr_2[1];7 : reg_sda <= reg_addr_2[0];default: reg_sda <= reg_sda;endcaseendendWDATA   : beginif (cnt_scl == LOW_HALF - 1) begincase (cnt_bit)0 : reg_sda <= reg_txdat[7];1 : reg_sda <= reg_txdat[6];2 : reg_sda <= reg_txdat[5];3 : reg_sda <= reg_txdat[4];4 : reg_sda <= reg_txdat[3];5 : reg_sda <= reg_txdat[2];6 : reg_sda <= reg_txdat[1];7 : reg_sda <= reg_txdat[0];default: reg_sda <= reg_sda;endcaseendendRDATA   : begin     // SACKif ((cnt_scl == LOW_HALF - 1) && (cnt_byte == op_byte_num - 1) && (cnt_bit == 8)) begin  //reg_sda <= 1'b1;    // NACKendelse if ((cnt_scl == LOW_HALF - 1) && (cnt_bit == 8)) beginreg_sda <= 1'b0;    // ACKendendSTOP    : beginif (cnt_scl == LOW_HALF - 1) beginreg_sda <= 1'b0;endelse if (cnt_scl == HIGH_HALF -1) beginreg_sda <= 1'b1;endenddefault : reg_sda <= reg_sda;endcaseend
end// reg_i_sda  rx_data  reg_ack  rxvld
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_i_sda <= 1'b1;endelse beginreg_i_sda <= i_sda;end
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginrx_data <= 0;endelse if ((state_c == RDATA) && (cnt_scl == HIGH_HALF - 1)) begincase (cnt_bit)0 : rx_data[7] <= reg_i_sda;1 : rx_data[6] <= reg_i_sda;2 : rx_data[5] <= reg_i_sda;3 : rx_data[4] <= reg_i_sda;4 : rx_data[3] <= reg_i_sda;5 : rx_data[2] <= reg_i_sda;6 : rx_data[1] <= reg_i_sda;7 : rx_data[0] <= reg_i_sda;default: rx_data <= rx_data;endcaseend
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginreg_ack <= 1'b1;endelse if ((state_c == DEV_CMD || state_c == ADDR || state_c == WDATA) && (cnt_bit == 8) && (cnt_scl == HIGH_HALF -1)) beginreg_ack <= reg_i_sda;end
endalways @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginrxvld <= 1'b0;endelse if ((state_c == RDATA) && end_cnt_bit) beginrxvld <= 1'b1;endelse beginrxvld <= 1'b0;end
end

        第八步，构造busy信号

// busy
always @(posedge i_clk or posedge i_rst) beginif (i_rst) beginbusy <= 1'b0;endelse if (i_iic_work_en) beginbusy <= 1'b1;end// else if ((state_c == STOP) && end_cnt_bit) begin//     busy <= 1'b0;// endelse if (state_c == IDLE) beginbusy <= 1'b0;endelse beginbusy <= 1'b1;end
end

        第九步，赋值输出

// output
assign o_scl = (state_c == IDLE)? 1 : reg_scl;
assign o_txget = txget;
assign o_rxdat = rx_data;
assign o_rxvld = rxvld;
assign o_busy = busy;
assign o_sda = reg_sda;
assign output_en = (state_c == RDATA)? ((cnt_bit == 8)? 1:0) : ((cnt_bit == 8)? 0:1);//assign o_output_en = output_en;

        最后一步，构建三态门

        这里使用vivado中的原语IO_BUF来构建：

IOBUF #(.DRIVE(12), // Specify the output drive strength.IBUF_LOW_PWR("TRUE"),  // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE" .IOSTANDARD("DEFAULT"), // Specify the I/O standard.SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
) iobuf_inst_sda (.O   (   i_sda   ),     // Buffer output.IO  (  io_sda   ),   // Buffer inout port (connect directly to top-level port).I   (   o_sda   ),     // Buffer input.T   (~output_en )      // 3-state enable input, high=input, low=output
);IOBUF #(.DRIVE(12), // Specify the output drive strength.IBUF_LOW_PWR("TRUE"),  // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE" .IOSTANDARD("DEFAULT"), // Specify the I/O standard.SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
) iobuf_inst_scl (.O   (   i_scl   ),     // Buffer output.IO  (  io_scl   ),   // Buffer inout port (connect directly to top-level port).I   (   o_scl   ),     // Buffer input.T   (     0     )      // 3-state enable input, high=input, low=output
);

        5.仿真验证

        写时序

        读时序：

         其中，我们可以清楚的看到以下关键信息：

        起始位：

        状态二，设备地址与写控制位：

         状态三，发送寄存器地址：

        写数据操作，写了5个字节：

        读操作时的RESTART状态，设备地址、读控制位以及读出的1字节数据：

        停止位： 

五、说明

        由以上设计可以看出，我设计的SCL是由低到高的，同时，在起始位的状态时，SCL也同样会由低到高，这与通常我们所理解的SCL在起始位保持高电平不符，如下图所示：

         但经过我的上板实测，该方案可行。

        第二点， 由以上设计可以看出，由于时序逻辑的影响，导致busy信号的输出会比state信号延迟一个周期，这意味这最好使用检测busy下降沿的方法来判断IIC接口是否还在工作，或者更改busy信号的赋值逻辑。