炼狱传奇-IIC之战

梦翼师兄

炼狱传奇-IIC之战 [复制链接]

本节我们要学习的内容，简单来说，就是一种串行的通信协议，IIC的通信协议和通信接口在很多工程中有广泛的应用，如数据采集领域的串行AD,图像处理领域的摄像头配置，工业控制领域的X射线管配置等等。除此之外，由于IIC协议占用的IO资源特别少，连接方便，所以工程中也常选用IIC接口做为不同芯片间的通信协议。

IIC协议的完成靠的是严紧的时序，一个周期都不能错，这也正是我们设置本实验的目的。通过IIC的学习，锻炼自己的时序实现技巧和方法，可以说最佳的案例之一。

本实验的学习，我们采用的外部接口芯片为EEPROM,其封装图如下：

接下来，我们梳理一下各引脚定义：

1.      A0,A1,A2为24LC64的片选信号，由于IIC总线可以挂载多个IIC接口器件，所以每个器件都应该有自己的“身份标识”，通过对A0,A1,A2输入不同的高低电平，就可以设置该EEPROM的片选信号。

2.      WP为读写使能信号，当WP悬空或者接地，EEPROM可读可写，当WP接电源，EEPROM只能读不能写。

3.      SCL为IIC接口的时钟线

4.      SDA为IIC接口的数据线

得到了上面的配置信息，那么接下来，看一下我们开发板的配置原理图

由此可以看出我们的位选信号为“000”，EEPROM可读写。

原理图分析完毕，接下来我们看一下IIC接口的具体时序是什么。IIC读写时序分为随机读写和页面读写，也就是常说的Byte Write/Read 和Page Write/Read。

我们首先来学习Byte Write/Read时序

Byte Write时序如下：

由时序图可以看出，如果我们要向EEPROM写入一个字节，那么必须经过以下步骤：

1. 发送启动信号

2. 发送控制字

3. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

4. 发送高字节地址位

5. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

6. 发送低字节地址位

7. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

8. 发送8bit有效数据

9. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

10.发送停止信号

Byte Read时序如下：

由时序图可以看出，如果我们要从EEPROM读出一个字节，那么必须经过以下步骤：

1. 发送启动信号

2. 发送控制字1010_0000

3. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

4. 发送高字节地址位

5. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

6. 发送低字节地址位

7. 接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

8. 发送启动信号

9. 发送控制字1010_0001

10.接收并检测EEPROM发来的应答信号ACK

11.读取一个字节数据

12.发送NOACK信号

13.发送停止信号

那么现在的问题就变成了每个步骤的意义到底是什么呢？各位且听我慢慢道来。

1. 启动信号

在SCL保持高电平期间，如果SDA出现由高到低的跳变沿，代表启动信号

1. 控制字

我们的控制字为1010_0000,其中1010为EEPROM的型号标识，为一组固定的序列，紧接着A2,A1,A0就是我们的片选信号，最后一位为读写控制位，低电平代表写，高电平代表读，我们这里首先需要对EEPROM写入地址位，所以我们最后一位为0。

2. 高/低位地址

由于24LC64有64Kbit的存储空间，所以我们需要13位的地址位宽才能寻址所有的存储空间，由于IIC协议规定只能以字节形式写入，所以必须将13位的地址扩展为16位的地址，分为高八位和低八位，多出来的前三位填充任意数据即可，对我们的寻址地址没有影响。

3. 停止信号

在SCL保持高电平期间，如果SDA出现由低到高的跳变沿，代表停止信号

1. 应答信号ACK

应答信号是由数据接收方发出的，当SCL为高电平期间，如果监测到SDA为低电平，说明有应答信号。

2. 非应答信号ACK

非应答信号也是由数据接收方发出的，当SCL为高电平期间，如果SDA为高电平，说明有非应答信号。

由于IIC总线协议启动和停止信号都是在SCL高电平期间发生跳变，这就决定了我们其他数据的改变只能发生在SCL低电平期间，在SCL为高电平期间，数据必须保持稳定。即在SCL低电平改变数据，在SCL高电平采集数据。

接下来，我们分析项目需求如下：

用两个按键控制EEPROM读写，当写按键按下时，向EEPROM某一固定地址写入一个字节数据，当读按键按下时，将该地址数据读出，并显示到数码管。

我们设计顶层架构如下：

说明:LED灯是一个标志信号，LED亮说明数据写入完毕

由于读时序和写时序一直到低字节地址的写入都是相同的，因此我们设置IIC控制器流程图如下：

具体代码如下：

接下来，我们编写数码管驱动模块如下：

编写顶层模块如下：

接下来，我们可以编写简单的测试代码，验证逻辑是否正确，测试代码如下：

审查这个简单的测试，我们发现这个测试真的很简单，简单到连反馈的ACK信号都没有了，可是我们的IIC控制器，必须要检测到ACK信号，状态才会向下跳转，怎么办呢？我这里教给大家一个最简单的办法，那就是在测试的时候屏蔽掉ACK检测，状态直接向下跳转，当然有兴趣的同学，可以编写较复杂的测试，加上反馈信号，这样是最完美的。我们的代码就可以改成如下形式：

所有检测ACK的状态修改完毕以后，我们仿真如下

由仿真图可以看出当读写按键按下时，电路都会产生对应的动作，写时序如下：

读时序如下：

这里有一些需要注意的点：

如图所示，数据的改变、数据总线的放开都是在SCL低电平的中间位置实现的。

通过上面的学习，我们实现了页面读写，由于数码管前面的章节中已经学习过，所以此处不再赘述。

接下来，我们学习一下PageWrite/Read时序

Page Write时序如下：

Page Read时序如下：

由此可以看出，页面读写和随机读写只是多加了几个状态而已，在我们前面设计的基础上加几个状态就可以完成。我们把这部分交给大家去发挥。

lightxixi

我也就是路过，楼主辛苦了

白丁

谢楼主分享

Bingqi23

楼主的代码是什么语言的？不像C也不像汇编呀？

前面内容讲解讲的很好，很清晰。就是带代码了看不懂了。。。

梦翼师兄

Bingqi23 发表于 2016-2-25 14:17
楼主的代码是什么语言的？不像C也不像汇编呀？

前面内容讲解讲的很好，很清晰。就是带代码了看不懂了。 ...

Verilog 硬件描述语言

梦翼师兄

Bingqi23 发表于 2016-2-25 14:17
楼主的代码是什么语言的？不像C也不像汇编呀？

前面内容讲解讲的很好，很清晰。就是带代码了看不懂了。 ...

Verilog 硬件描述语言

dirty

开发环境/软件用的哪个？看到仿真时序图了

梦翼师兄

dirty 发表于 2016-3-11 14:12
开发环境/软件用的哪个？看到仿真时序图了

quartusII 13.0和modelsim

wenbow512512

仿真波形出不来，楼主确定好使吗，会不会因为分频的原因需要运行很长时间才能看到波形