一. 简介

　　这是FPGA之旅设计的第五例啦！今天给大家带来的是IIC通信，IIC协议应用非常广泛，例如与MPU6050进行通信，配置OV5640摄像头、驱动OLED屏幕等等，都需要使用到IIC协议，所以掌握它是非常必要的，废话不多说，接着往下看。文末获取完整代码。

　　二. IIC简介

　　IIC协议分为主机和从机，所有的请求都是由主机发出，从机进行响应，从机是没有办法对主机进行读或写的。IIC协议共有两根线，数据线SDA和时钟线SCL，两根线就可以完成所有的通信请求，简直是太给力了。

　三. IIC协议

　　终于到了IIC协议的部分。IIC协议简单来说，共有五种状态，这五种状态的有序组合就组成了完整的IIC通信，学习IIC协议，就是学习这五种状态。

　空闲态: SCL 和 SDA 都为高电平，不进行通信的时候。

起始态：在SCL为高电平的时候，将SDA拉低，主机通知从机，开始进行通信。

数据传输态：数据传输态，又可以分为读和写两个部分，过程都是一样的，就合在一起了，都是在SCL为低电平的时候，SDA将数据发送，在SCL为高电平的时候，将数据接收。

(非)应答态：数据传输态完成后，必须接一个应答态或者非应答态，为了确定对方接收到了数据。在SCL为高电平的时候，检测到SDA为低电平，则为应答，否则为非应答。

停止态：一次数据传输完成，由主机发起，在SCL为高电平的时候，SDA由低电平变成高电平。

　　了解了这五种状态后，接下来就要学习如何使用这五种状态来进行读写操作了。

　(一) IIC写操作

　　下面就是一个完整的写操作，共包含三次数据传输态，第一次发送的是从机地址 + 0，第二次发送的是寄存器的地址，第三次写的是数据，写入寄存器中的数据。从机地址一般为7bit，与另外一bit共同组成8bit，0表示写，1表示读。

　　(二）IIC读操作

　　读操作要比写操作复杂一点，需要的状态多一些。一共有五个数据传输态，状态图如下了。

　　上面的流程图都是对从机的地址为7位以及从机的寄存器地址为8位的操作。

四. Verilog代码实现

　　有了上面的各个状态中，SDA和SCL的变换关系，以及读写的序列，就可以很方便的来写程序啦。

　　1. 首先，当然离不开状态机，根据上面叙述的五种状态，编写状态机，状态机中，将数据传输态分成了读和写两种状态。有了各个状态，操作SDA和SCL两根线不是易如反掌嘛！

　　/*IIC 状态*/

　　localparam IIC_IDLE = 6'b000_001; /*空闲态*/

　　localparam IIC_START = 6'b000_010; /*起始态*/

　　localparam IIC_WRDATA = 6'b000_100; /*写数据态*/

　　localparam IIC_RDDATA = 6'b001_000; /*读数据态*/

　　localparam IIC_ACK = 6'b010_000; /*应答态*/

　　localparam IIC_STOP = 6'b100_000; /*停止态*/

　　2. 状态机的跳转条件如下，跳转条件和上面叙述的一样。单独看这个有点难懂，有些变量不明白其具体含义，可以结和仿真图形和完整代码进行理解。

　　/*状态机*/

　　always @(*)

　　begin

　　case(state)

　　IIC_IDLE:

　　if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1)

　　next_state <= IIC_START;

　　else

　　next_state <= IIC_IDLE;

　　IIC_START:

　　if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2))

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　else

　　next_state <= IIC_START;

　　IIC_WRDATA:

　　if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　next_state <= IIC_ACK;

　　else

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　IIC_RDDATA:

　　if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　next_state <= IIC_ACK;

　　else

　　next_state <= IIC_RDDATA;

　　IIC_ACK:

　　if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)

　　if(IICSendBytes == 'd3)

　　if(IICWriteReq == 1'b1) /*三个字节发送完成，进入停止态*/

　　next_state <= IIC_STOP;

　　else

　　next_state <= IIC_RDDATA;

　　else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1)

　　next_state <= IIC_START;

　　else if(IICSendBytes == 'd4)

　　next_state <= IIC_STOP;

　　else

　　next_state <= IIC_WRDATA;

　　else

　　next_state <= IIC_ACK;

　　IIC_STOP:

　　if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1)

　　next_state <= IIC_IDLE;

　　else

　　next_state <= IIC_STOP;

　　default: next_state <= IIC_IDLE;

　　endcase

　　end

　　各个部分实现的详细代码，就不列举出来啦，代码总计280多行，也不算多。通过本IIC模块，可以驱动OV5640摄像头，MPU6050模块和0.96寸OLED屏幕等等，后续会基于此模块，来驱动这些外设。

　　五. testbeach编写

　　还是按照流程走，编写完模块后，进行一下仿真，还真有错误，幸亏仿真了，哈哈哈。

　　`timescale 1ns/1ps

　　module testbench();

　　reg clk;

　　reg rst;

　　wire SDA;

　　wire SCL;

　　reg IICWriteReq;

　　reg IICReadReq;

　　wire IICWriteDone;

　　wire IICReadDone;

　　always # 50 clk = ~clk;

　　initial begin

　　clk = 1'b1;

　　rst = 1'b1;

　　IICWriteReq = 1'b0;

　　IICReadReq = 1'b1;

　　#100 /*手动复位*/

　　rst = 1'b0;

　　#100

　　rst = 1'b1;

　　end

　　always@(posedge clk)

　　if(IICReadDone == 1'b1) /*读完成后，readReq为0，只进行一次读写操作*/

　　IICReadReq <= 1'b0;

　　else

　　IICReadReq <= IICReadReq;

　　IIC_Driver IIC_DriverHP(

　　.sys_clk (clk), /*系统时钟*/

　　.rst_n (rst), /*系统复位*/

　　.IICSCL (SCL), /*IIC 时钟输出*/

　　.IICSDA (SDA), /*IIC 数据线*/

　　.IICSlave ('h1234),

　　.IICWriteReq (IICWriteReq), /*IIC写寄存器请求*/

　　.IICWriteDone (IICWriteDone), /*IIC写寄存器完成*/

　　.IICWriteData ('h5a), /*IIC发送数据 8bit的从机地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的数据(读忽略，后默认为0)*/

　　.IICReadReq (IICReadReq), /*IIC读寄存器请求*/

　　.IICReadDone (IICReadDone), /*IIC读寄存器完成*/

　　.IICReadData ()/*IIC读取数据*/

　　);

　　endmodule

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电子技术应用专栏作家 FPGA之旅

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3qwZRqjHEZzj4V8uMo0T4g