IIC總線協(xié)議時序介紹 IIC總線程序設計

IIC總線是一個雙向的兩線連續(xù)總線，它為集成電路之間提供通信線路。其意思是完成集成電路或功能單元之間信息交換的協(xié)議。

01IIC協(xié)議時序介紹

IIC協(xié)議的時序簡單來說就是兩條線之間的關系，分別為時鐘線SCL和數(shù)據線SDA，先看IIC協(xié)議的時序圖。

上圖為IIC的時序圖，該時序圖的狀態(tài)分為空閑態(tài)、起始位、停止位還有數(shù)據的讀/寫狀態(tài)。

1、空閑狀態(tài)：數(shù)據線SDA為高電平，時鐘線SCL為高電平；

2、起始位：時鐘線SCL為高電平，數(shù)據線SDA出現(xiàn)一個下降沿，由此產生一個起始位；

3、停止位：時鐘線SCL為高電平，數(shù)據線SDA出現(xiàn)一個上升沿，由此產生一個停止位；

4、數(shù)據讀/寫狀態(tài)：數(shù)據的讀寫狀態(tài)主要包括串行數(shù)據的輸入和輸出以及應答信號，讀寫數(shù)據的具體的時序圖如下所示。

當兩個設置之間采用IIC通信時（其中一個為主機，另一個為從機），當主機向從機寫入數(shù)據時，SDA上的每一位數(shù)據均在SCL的高電平期間被寫入從機中。因此在主機需要在數(shù)據線SCL為低電平期間改變SDA上要寫入的數(shù)據。當主機需要讀取從機上的數(shù)據時，從機則需要在SCL為低電平期間將數(shù)據輸出到SDA數(shù)據線上，在SCL為高電平期間保持數(shù)據的穩(wěn)定，而主機則需要在SCL為高電平時將SDA線上的數(shù)據讀取并存儲起來。

每當一個字節(jié)的數(shù)據傳輸完成時，數(shù)據接收方都會向數(shù)據發(fā)送方發(fā)送一位的應答信號，即響應位。在響應應答位時，數(shù)據發(fā)送方將SDA線設置為三態(tài)門輸入，在IIC總線上，數(shù)據線SDA都有一個上拉電阻，即一般情況下SDA都默認為高電平，若數(shù)據接收方正確接收到數(shù)據后，則數(shù)據接收方將會將SDA線的電平拉低，表示正確應答。

02IIC程序設計

首先來看需要定義的端口，分別為時鐘源clk，復位端rst，cmd為指定此次傳輸是否需要加起始位或停止位，go為啟動IIC的信號，rx_data為發(fā)送的數(shù)據，tx_data為接收的數(shù)據，trans_done為IIC數(shù)據傳輸完成標志，ack_o為應答信號，i2c_scl為時鐘線SCL，i2c_sda為數(shù)據線SDA。定義如下圖所示。

接下來便是分配上述端口的輸入、輸出類型。

首先clk和rst都為輸入端口。cmd為我們自己設置，但是我們這里寫的不是頂層文件，cmd具體的值需要在頂層文件中設置，所以此處也為input輸入類型。同理控制IIC啟動的go端口也是在頂層文件中設置，此處為input輸入。發(fā)送數(shù)據存儲器tx_data中的數(shù)據也是在頂層文件中寫進去，為input輸入。rx_data為接收到的數(shù)據，在頂層文件中接收，接收到后這里再將其輸出來查看處理，所以為output輸出端。

其它端口信號，發(fā)送完成標志位和應答信號還有時鐘信號都是輸出的信號。數(shù)據線SDA的端口i2c_sda，因為其又要寫數(shù)據也要讀數(shù)據，所以為inout，輸入輸出端，即可輸入又可輸出。

然后此處定義系統(tǒng)外接的50M系統(tǒng)時鐘，定義IIC的工作速度為400K（這里IIC的工作速度分三種，標準模式為100K，快速模式為400K，高速模式為3.4M），然后計算計數(shù)器計數(shù)的最大值SCL_CNT_M。

然后此處定義的便是數(shù)據線SDA的三態(tài)門輸入，當i2c_sda_oe為1時i2c_sda輸出i2c_sda_o的值，當i2c_sda_oe為0時i2c_sda輸出高阻抗。

此處寫的是計數(shù)器，用來書寫時鐘線SCL，當計數(shù)值div_cnt未達到IIC工作速度的最大值時，div_cnt自加，達到最大值時則清零，該計數(shù)器由使能端en_div_cnt控制。下面的sclk_plus則是一次計數(shù)滿后置1，用作一個標志信號。

接下來便是狀態(tài)機的書寫，首先定義如下幾個常量。

上面的一組分別為，wr為寫請求，sta為起始位請求，rd為讀請求，sto為停止位請求，ack為應答位請求，nack為無應答請求，當系統(tǒng)符合相應位請求時便會跳轉到相應的狀態(tài)。

下面的一組數(shù)據則是對應相應的狀態(tài)，idle為默認初始狀態(tài)，gen_sta則為產生起始信號狀態(tài)，wr_data則為寫數(shù)據狀態(tài)，rd_data則為讀數(shù)據狀態(tài)，check_ack為核對應答位信號狀態(tài)，gen_ack為產生應答信號狀態(tài)，gen_sto為產生停止信號狀態(tài)。

首先看在狀態(tài)idle下的時序，首先將傳輸完成標志信號清零，然后打開三態(tài)輸出端i2c_sda_oe置1，等待IIC開啟信號go置1，開啟信號go置1后打開計數(shù)器的使能端en_div_cnt，計數(shù)器開始為時鐘信號SCL計時。然后便開始匹配選擇有沒有起始信號，以及是寫狀態(tài)還是讀狀態(tài)，當有起始信號時，狀態(tài)機便跳轉置產生起始信號的狀態(tài)，即gen_sta。

此處為產生起始信號狀態(tài)，在cnt的計數(shù)值下書寫每一個信號的狀態(tài)，cnt為0初始時打開三態(tài)輸入端，i2c_sda輸出i2c_sda_o的狀態(tài)高電平1，cnt為1時，將時鐘線SCL拉高為1，cnt為2時將數(shù)據線SDA拉低，產生下降沿，數(shù)據線SCL持續(xù)為高，如此便產生了起始信號，cnt為3時將SCL拉低，如此為時鐘線SCL的時鐘周期。

接下來當cnt為3時便判斷下一個狀態(tài)為寫狀態(tài)或者讀狀態(tài)。此處需要說明一下，因為此處為時序邏輯，賦值方式采用的是非阻塞賦值，所以賦值的狀態(tài)有點特殊，即當前賦的值都是在下一個時鐘周期才生效。

此處為讀寫狀態(tài)，上面為寫狀態(tài)，當sclk_plus為1時cnt自加1，cnt計數(shù)4次為一個SCL時鐘周期，在寫數(shù)據時，一個數(shù)據為8位（二進制），逐次將每一位數(shù)據存儲到i2c_sda_o中，然后打開三態(tài)門i2c_sda_oe，cnt加1后將SCL時鐘線拉高，cnt再加1SCL時鐘線電平保持高電平，此時根據IIC主從機協(xié)議，數(shù)據線SDA上的數(shù)據將被從機讀取，然后cnt再加1便將SCL時鐘線上的電平拉低。寫數(shù)據完成之后狀態(tài)機便跳轉到等待應答信號的狀態(tài)check_ack。

下面的便是讀數(shù)據，讀數(shù)據和寫數(shù)據類似，也是cnt逐次自加，cnt從0自加到3，中間四次便是一個SCL時鐘線的周期。首先關閉SDA的三態(tài)門，將i2c_sda_oe置0，將時鐘線scl拉低，cnt自加1之后將SCL時鐘線拉高，cnt在此自加之后SCL時鐘線保持高電平，將SDA上讀取到的數(shù)據通過移位的方式存儲到rx_data存儲器中，cnt再次自加后便將SCL時鐘線拉低。

這里便是等待應答的狀態(tài)，等待應答的過程也相當于等待接收1位的數(shù)據，當cnt為0時，關閉i2c_sda的三態(tài)門，將i2c_sda_oe置0，時鐘線SCL置0，cnt自加1后將SCL時鐘線拉高，cnt再次自加1之后便開始讀取SDA數(shù)據線上接收到的數(shù)據，將接收到的數(shù)據賦給端口ack_o，用來判斷應答信號是否正確，cnt再次自加之后便將SCL時鐘線拉低。cnt自加到3之后，便開始判斷當前的IIC通信是否需要加停止位。

產生應答的過程也為一次輸出的過程，cnt為0時打開三態(tài)使能端，將i2c_sda_oe置1，將時鐘線SCL拉低，然后判斷應答信號是否發(fā)送，需要發(fā)送則i2c_sda的取值i2c_sda_o賦0，無應答則將i2c_sda_o賦1。因為應答信號ack為0有效。cnt自加后將時鐘線SCL拉高，cnt再次自加后時鐘線SCL保持高電平，cnt自加到3時，將時鐘線SCL拉低。cnt為3后開始判斷是否需要停止位，用來判斷下一個跳轉狀態(tài)。

根據停止位的時序，當SCL時鐘線為高電平時，SDA數(shù)據線產生一個上升沿便為停止位，即當cnt為0時打開i2c_sda的三態(tài)使能端，將i2c_sda_oe置1，將i2c_sda_o置0，這樣SDA數(shù)據線便先輸出低電平，cnt自加1后將時鐘線SCL拉高，cnt再次自加后將i2c_sda_o的值賦1，使SDA數(shù)據線輸出高電平，如此便產生了一個上升沿，cnt再次自加置3時，SCL數(shù)據線保持高電平，如此IIC的停止位便產生了。

03 IIC仿真波形

首先便是老生常談的例化該程序。

定義相匹配的寄存器，然后例化過程寫的文件，這里pullup是將引腳上拉的意思，在電路中都存在上拉電路，SDA在電路中都是被上拉電阻拉至高電平狀態(tài)。

然后此處便是產生50M的時鐘源。

這里還寫了task調用程序，首先寫的是寫字節(jié)的task，輸入三個數(shù)據，每一個數(shù)據都是8位，然后分別仿真了有起始位、無起始位無停止位、和有停止位的過程，先將開始IIC的信號go拉高開啟，然后將需要寫入的數(shù)據賦給寄存器tx_data中保存，然后關閉go，延時一段時間后便開始捕獲發(fā)送完成信號trans_done的上升沿，下面兩組數(shù)據的方式同理。

然后便是讀取數(shù)據的task語句仿真，這里輸入兩個，同樣也是仿真是否需要起始位、停止位，然后開啟IIC開始信號go，開始時給go賦1，然后將數(shù)據存入寄存器，延時后關閉開啟信號go，然后再延時等待捕捉傳輸完成標志的上升沿。

下面是仿真波形圖

整體波形如圖所示。接下來為發(fā)送一個數(shù)據的仿真波形圖。

首先最頭上的光標表示的是本次發(fā)送的數(shù)據為10100000，第二個光標處表示的是起始位，SCL為高，SDA產生下降沿，后面兩個光標之間便是傳輸?shù)臄?shù)據，SCL高電平時看SDA上發(fā)送的數(shù)據。

然后這個圖便是接收數(shù)據的波形圖，SCL為高電平時讀取SDA上的數(shù)據，并通過移位的方式將讀取的數(shù)據存儲到rx_data寄存器中。