基礎知識之I2C總線

I2C是一種簡單地連接多個芯片的總線方式，尤其是在FPGAs/CPLDs中.

• 除了“電源”和“地”之外，只用了“SDA”和“SCL”兩根信號線
• 在同一個總線上最多可以支持到100個器件，每個掛在總線的器件都有一個地址用于尋址
• 多個“主”設備(例如,兩個CPU可以簡單地共用同一個I2C器件)
• 為業界標準，由Philips開發, 被很多其它廠商采用
• 用途非常廣泛，比如電視機、PCs

但是：

• 速度相對比較慢(100Kbps基礎速率,可以擴展到3.4Mbps)
• 不支持“即插即用”

一個I2C總線需要至少一個I2C主和I2C從. I2C“主”即可以向“從”寫也可以從“從”設備中讀取

這個圖示為向地址為0x51的EEPROM進行寫2個字節的數據0x50和0x0F.

一個I2C過程由“起始”開始, 接著是我們要通信的設備的地址，有一位標記此操作是“讀”還是“寫”；要讀取或寫入的“數據”，最后是個“終止”位。

還有其它的一些細節，比如在每個字節傳輸以后需要一個”應答“位，參看波形圖。

在FPGA或CPLD中有兩種方式創建一個I2C從功能：

• 直接使用你FPGA／CPLD中的SCL信號線作為時鐘信號
• 使用更快的時鐘信號過取樣你的SDA和SCL信號

第一種方法設計比較緊湊，但不如第二種方法可靠，在這里我們簡單講一下第一種方法的實現過程。

目標：通過I2C進行IO端口擴展，SCL在FPGA／CPLD中作為時鐘信號

I2C從模塊連接到一個小的8位存儲器，這個存儲器可以通過I2C總線進行讀寫，這8位為FPGA／CPLD的外部連線，這樣就實現了一個I2C的IO端口擴展

第一步，先定義模塊

module I2CslaveWith8bitsIO(SDA, SCL, IOout);inout SDA;input SCL;output [7:0] IOout;

接著是我們需要的I2C“從”設備的7位地址

parameter I2C_ADR = 7'h27;

接著是“起始”和“終止”檢測邏輯，這也是本設計中最神秘的部分。

// We use two wires with a combinatorial loop to detect the start and stop conditions//  ... making sure these two wires don't get optimized awaywire SDA_shadow    /* synthesis keep = 1 */;wire start_or_stop /* synthesis keep = 1 */;assign SDA_shadow = (~SCL | start_or_stop) ? SDA : SDA_shadow;assign start_or_stop = ~SCL ? 1'b0 : (SDA ^ SDA_shadow); reg incycle;always @(negedge SCL or posedge start_or_stop)if(start_or_stop) incycle <= 1'b0; else if(~SDA) incycle <= 1'b1;

現在我們可以計數進來的I2C的位數。

reg [3:0] bitcnt;  // counts the I2C bits from 7 downto 0, plus an ACK bitwire bit_DATA = ~bitcnt[3];  // the DATA bits are the first 8 bits sentwire bit_ACK = bitcnt[3];  // the ACK bit is the 9th bit sentreg data_phase; always @(negedge SCL or negedge incycle)if(~incycle)begin
    bitcnt <= 4'h7;  // the bit 7 is received first
    data_phase <= 0;endelsebegin
    if(bit_ACK)
    begin
    	bitcnt <= 4'h7;
    	data_phase <= 1;
    end
    else
    	bitcnt <= bitcnt - 4'h1;end

并且檢測I2C的地址是否匹配

wire adr_phase = ~data_phase;reg adr_match, op_read, got_ACK;// sample SDA on posedge since the I2C spec specifies as low as 0μs hold-time on negedgereg SDAr;  always @(posedge SCL) SDAr<=SDA;reg [7:0] mem;wire op_write = ~op_read; always @(negedge SCL or negedge incycle)if(~incycle)begin
    got_ACK <= 0;
    adr_match <= 1;
    op_read <= 0;endelsebegin
    if(adr_phase & bitcnt==7 & SDAr!=I2C_ADR[6]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==6 & SDAr!=I2C_ADR[5]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==5 & SDAr!=I2C_ADR[4]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==4 & SDAr!=I2C_ADR[3]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==3 & SDAr!=I2C_ADR[2]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==2 & SDAr!=I2C_ADR[1]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==1 & SDAr!=I2C_ADR[0]) adr_match<=0;
    if(adr_phase & bitcnt==0) op_read <= SDAr;
    // we monitor the ACK to be able to free the bus when the master doesn't ACK during a read operation
    if(bit_ACK) got_ACK <= ~SDAr;     if(adr_match & bit_DATA & data_phase & op_write) mem[bitcnt] <= SDAr;  // memory writeend

如有需要驅動=SDA信號線

wire mem_bit_low = ~mem[bitcnt[2:0]];wire SDA_assert_low = adr_match & bit_DATA & data_phase & op_read & mem_bit_low & got_ACK;wire SDA_assert_ACK = adr_match & bit_ACK & (adr_phase | op_write);wire SDA_low = SDA_assert_low | SDA_assert_ACK;assign SDA = SDA_low ? 1'b0 : 1'bz; assign IOout = mem;endmodule

結果如何?

此代碼已經在Xilinx和Altera的多個器件上進行過測試,能夠同硬化的I2C主進行通信，在這里可以下載完整的代碼

不過此代碼有兩個缺點：:

• 在FPGA／CPLD中SCL被用做了時鐘信號，強烈建議在SCL輸入端加入施密特觸發器以避免錯誤的行為發生，如果不加施密特觸發器，在SCL線上的任何噪聲或振鈴都會導致多余的時鐘周期，導致功能失效
• “起始”和“終止”的條件檢查邏輯采用的是組合反饋環路，這種方式是不建議的。同樣其它電路的異步復位也不建議采用“周期內信號”

如果你能夠容忍這些缺點，這應該是I2C從模式非常簡潔的設計，否則你只能用外部時鐘對SDA和SCL進行過取樣，通過數字濾波器將毛刺給濾除掉，“起始”和“終止”的檢測也變得比較容易，當然代價就是設計變得更復雜。