凔海笔记之FPGA（九）：Verilog描述IIC单字节读写协议

一、简介AT24C04

AT24C04是小容量（4KB）IIC总线EPROM存储元件。这句话说得很有内容呀。首先，AT24c04是存储元件，还是EPROM即可擦写可编程只读存储器，而且断电可保存。其次，对AT24c04的控制是采用IIC协议的，也就是说，IIC≠AT24C04，曾几何时，傻傻的以为IIC=AT24CXX。

那接下来，就先说一下AT24C04吧。

A0空引脚,不是地址设置引脚，A1/A2器件地址设置引脚，是用来设置器件地址的，可以挂4个AT24c04。WP写保护，低电平可对整个AT24c04的512字节进行读写操作，高电平则会使前256个地址受保护，只读不能写，后面的则爱咋地咋地了。SDA数据总线，是一个双向口，SCL则是时钟线。
IIC总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成。IIC总线对数据通信时序进行了严格的定义，主要包括起始、应答、结束还有数据读写的时序。
下面，就看看IIC单字节读写操作吧。n(*≧▽≦*)n

可见，写IIC协议就是玩拼图，拼的好与坏，就看咱对时序的分析了。
但在玩拼图之前咱还是先了解一下IIC协议的一些基本知识。
1、起始信号
    SCL保持高电平的状态下，SDA出现下降沿定义为I2C总线的起始信号，它是由主控器主动建立的一种电平跳变时序信号，标志着一次数据传输的开始，而在建立该信号之前IIC总线必须处于空闲状态。瞧下图

2、写地址
    写地址包括写设备地址和写数据地址。就如同笔者兼职家教，得先找到人家在哪个小区哪个楼，再找到人家在哪个单元等。然后才能去输出自己的知识（数据）。
写地址有固定的格式：

硬件ID：就是知道是哪个小区，它会随着厂商设备的种类不同而改变，例如：AT24C04是4’b1010。
硬件地址：就是芯片上的A0\A1\A2，A0空引脚（why?），A1/A2器件地址设置引脚，是用来设置器件地址的，可以挂4个AT24c04。
访问方向：写为1读是0。
写数据地址：AT24C04可以对512字节进行读写操作，而数据地址只有8位！也就是说，只能读写256字节，肿么破？？？？？？？？？？？？？？这时候会不会想到A0为什么说是空引脚呢？没错，它就是来凑数的，实现对512字节的读写。对此，我不得不说

还得补充一句，写数据是新的下降沿跟新数据，上升沿锁存/读取数据。
3、应答信号
　IIC总线上的所有数据都是以8位字节传送的，发送器每发送一个字节，就在下一个时钟脉冲释放数据线，由主机反馈一个应答信号。读数据就无视应答位。
　　应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK简称应答位），表示主机已经成功地接收了该字节；应答信号为高电平时，规定为非应答位（NACK），一般表示主机接收该字节没有成功。

4、读写数据：
写数据就是写数据是新的下降沿跟新数据，上升沿锁存/读取数据，并且高位在前
读数据可以看做重复读取8次应答位，SCL的下降沿使从机跟新数据，然后主机在SCL的上升沿读取数据，此外，从机也会由高到低更新数据位。
结束位：
    在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，使得SDA返回高电平（即正跳变），称为I2C总线的停止信号，它标志着一次数据传输的终止。
    停止信号也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号，停止信号也是由主控器主动建立的，建立该信号之后，I2C总线将返回空闲状态。

所谓的空闲状态就是I2C总线总线的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时，规定为总线的空闲状态。此时各个器件的输出级场效应管均处在截止状态，即释放总线，由两条信号线各自的上拉电阻把电平拉高。

（二）bala一下Verilog综合的AT24c04

上面介绍了IIC协议的一些概念，下面，就开始真二八经的用Verilog综合出来吧。首先来确定要实现的功能：向AT24C04写入123456，然后读出来送给6位数码管依次显示。
       接下来，先来说说大体的框架。
smg_display_module.v数码管显示模块，这块就不多说了吧，留着以后再bala吧。
IIC_function_module.v实现对AT24c04的读写时序的综合
IIC_ctrl.v实现对写、读AT24C04的控制和对数码管显示的控制。
这三个模块也就干这点活了

iAddr、iData分别是由IIC_ctrl模块发送给IIC_function_module地址地址和数据，oData是读出来的数据，共24位，一并发给数码管显示给我们看。iCall实现读写控制，oDone是完成信号，控制IIC_ctrl的工作启停。
      在这还是插句话吧，咱知道AT24c04的数据线是双向口，所以要用isQ来对数据线的输入输出状态进行选择。所以用实现，inout  SDA;assign SDA    =  isQ ? rSDA : 1'bz;isQ=1时为输出，即将数据写入AT24C04，isQ=0时为输入，即读出AT24C04数据。那为什么在输入时要设为高阻态呢？
      答：处于高阻抗状态时，输出电阻很大，相当于开路，没有任何逻辑控制功能。即可以认为是没有输出，对下级电路没有任何影响。而一个输出端口在高阻态的时候，其状态是由于其相连的其他电路决定的，可以将其看作是输入。当三态门的输出处于高阻状态的时候，取值由外部电路决定，也就是说，这一时刻是可以作为输入。

是否还记得，我们上节说了读写流程，就是下面这幅图，

仔细端详这幅图我们不难发现，我们要写的就是起始位，写数据，读数据，应答位，结束位，其他的

接下来开始苦干人生了
       IIC_function_module.v该模块要完成与AT 24C04的读写通讯，也就是IIC协议。说白了就是完成写字节和读字节，所以要直勾勾的盯着下面这张图来写一写

该图给出了AT24C04对时序的要求，高电平多少，低电平多少都有规范。可见，想实现度AT24C04的控制，要求的还是蛮多的。下面我们采用400KHz的时钟周期进行读写操作。

1、起始信号，也就是通知AT24c04要干活的指令是要求在时钟线拉高的情况下数据线产生一个负跳变（高电平变为低电平）。而且要求起始信号的保持直接不少于600ns.所以我们可以这样描述
            begin
            isQ <= 1'b1;
            rSCL <= 1'b1;
            
            if(C1 == 8'd0)
                rSDA <= 1'b1;
            else if(C1 == (TR+20))   //上升沿再保持400ns
                rSDA <= 1'b0;
                
            if(C1 == TCLK-1)     //一个时钟周期后进入下一步骤
                begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
            else
                C1 <= C1 + 1'b1;
            end
    说一下哈，else if(C1 == (TR+20))那个20不是规定，使我想让它保持20的，其实也不需要一个时钟周期，只怪我愿意

2、应答位可以看做是读取一位数据，主机写完成或读取一字节时，从机都会产生应答位，在主机拉低SCL那一刻，从机便会发送应答位，主机借上升沿读取应答，应答信号低电平有效。
    5'd15:
            begin
            isQ <= 1'b0;
            if(C1 ==TF+8'd20)    isAck <= SDA;
            
            if(C1 == 8'd0)        rSCL <= 1'b0;
            else if(C1 == TF+8'd20)        rSCL <= 1'b1;
        
            if(C1 == TCLK -1'b1)
                begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1;    end
            else    C1 <= C1 + 1'b1;
            end
    5'd16:
        if(isAck != 1'b0)
                i <= 5'd0;
            else
                i <= jump;
3、结束位
    在SCL保持高电平时，SDA被释放，使得SDA返回高电平，即为停止信号，这也是一种电平跳变时序信号，而不是一个电平信号，停止信号也是由主控器主动建立的，该信号建立后，IIC返回空闲状态。
            begin
            isQ <= 1'b1;
            if(C1 == 0)    rSCL <= 1'b0;
            else if(C1 == 8'd31)     rSCL <= 1'b1;
            
            if(C1==0)    rSDA <= 1'b0;
            else if(C1 == 8'd76)    rSDA <= 1'b1;
            
            if(C1 == 8'd155)    
                begin C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1; end
            else C1 <= C1 + 1'b1;
            end
4、写数据SCL下降沿更新数据，上升沿锁存数据

5'd7,5'd8,5'd9,5'd10,5'd11,5'd12,5'd13,5'd14:
            begin
            isQ <= 1'b1;    //写入AT24c04
            rSDA <= oData[5'd14 - i];
            
            if(C1 == 0)        rSCL <= 1'b0;
            else if(C1 == (TF+TLOW))        rSCL <= 1'b1;
            
            if(C1 == TCLK -1'b1)
                begin C1 <= 8'b0; i <= i + 1'b1;    end
            else    C1 <= C1 + 1'b1;
            end
5、读数据，权当读取八个应答信号吧
        5'd19,5'd20,5'd21,5'd22,5'd23,5'd24,5'd25,5'd26:
            begin
            isQ <= 1'b0;
            if(C1 == 8'd62)    rData[26-i] <=SDA;
            if(C1 == 0)    rSCL <= 1'b0;
            else    if(C1 == 8'd62) rSCL <= 1'b1;
            if(C1 == TCLK-1’b1)    
                begin    C1 <= 8'd0; i <= i + 1'b1;end
            else    C1 <= C1 + 1'b1;
            end

最后呢？就是IIC_ctrl中的内容了
case(i)
    3'd0:
        if(DoneU1)
                begin isCall <= 2'b00;i <= i + 1'b1;end
        else
                begin isCall <= 2'b10;rAd <= 8'd6;rDa <= 8'h21;end
                
    3'd1:
        if(DoneU1)
                begin    isCall<= 2'b00;i<= i + 1'b1;end
        else
                begin isCall <= 2'b10;rAd <= 8'd16;rDa <= 8'h43;end
                
    3'd2:
        if(DoneU1)
                begin isCall <= 2'b00;i <= i + 1'b1;end
        else
                begin isCall <= 2'b10;rAd <= 8'd66;rDa <= 8'h65;end
    3'd3:
        if(DoneU1)
            begin rNum[7:0] <= oData;isCall <= 2'b00;i <=i+1'b1; end
        else
                begin isCall <= 2'b01;rAd <= 8'd6;end
    3'd4:
        if(DoneU1)
            begin    rNum[15:8] <= oData;isCall <= 2'b00;i<=i + 1'b1;end
        else
                begin isCall <= 2'b01;rAd <= 8'd16;end
    3'd5:
        if(DoneU1)
               begin rNum[23:16] <= oData;isCall <= 2'b00;i<= i + 1'b1;end
        else
            begin isCall <= 2'b01;rAd <= 8'd66;end
    3'd6:
            i <= i;
            
        endcase

在地址6、16、66分别写入12、34、56。说实话我挺喜欢黑金这样的写法的，虽然不知道这样写算不算好的代码风格，但挺容易懂的。在完成信号来之前，重复进行一个动作，例如begin isCall <= 2'b10;rAd <= 8'd6;rDa <= 8'h21;end写操作，在地址6写入数据12，等完成信号来了，就进入下一个操作。