紫光同创PGL22G学习四以24LC04为例，上手I2C接口使用（附加学习Opencores开源网站使用和 Fabric Debugger在线调试）

Posted 2022-12-19 ReCclay

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了紫光同创PGL22G学习四以24LC04为例，上手I2C接口使用（附加学习Opencores开源网站使用和 Fabric Debugger在线调试）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

导读：本实验通过使用开源软件 opencores 上的 I2C master 控制器去控制 I2C 接口的 EEPROM 读写，练习如何有效的使用开源代码提升开发效率。同时，附带学习基于 Fabric Debugger 在线调试方法。

一、实验原理

1.1、硬件电路

PGL22G 开发板板载了一片 EEPROM，型号为 24LC04，容量为：4Kbit（2*256*8bit），由 2 个 256byte 的 block 组成，通过 IIC 总线进行通信。板载 EEPROM 是为了学习 IIC 总线的通信方式，EEPROM 的 I2C 信号与FPGA 的 IO 口连接示意图如下所示：

从上图可以看到，FPGA 芯片通过 I2C 总线连接 EEPROM 24LC04，I2C 的两根总线各上拉一个 4.7K的电阻到 3.3V，所以当总线上没有输出时会被拉高。24LC04 模块外围电路如下图所示：

从上图可以看出，24LC04 的写保护引脚（WP）没有使能，不然 FPGA 会无法写入数据。另外，24LC04 的三根地址线A0~A2在电路上都为低，所以 24LC04 的设备地址为 0xA0。还有特别重要的的一点，24LC04的单页为16个字节！

1.2、I2C的总线协议和时序

I2C 标准模式速率为 100kbit/s，快速模式速率 400kbit/s，支持多机通讯，支持多主控模块，但同一时刻只允许有一个主控。由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成串行总线，每个电路和模块都有唯一的地址。

I2C 设备的操作可分为写单个存储字节，写多个存储字节，读单个存储字节和读多个存储字节，各个操作如下图所示：

下面对 I2C 总线通信过程中出现的几种信号状态和时序进行分析。

1、总线空闲状态

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。

2、启动信号(Start)

在时钟线 SCL 保持高电平期间，数据线 SDA 上的电平被拉低（即负跳变），定义为 I2C 总线总线的启动信号，它标志着一次数据传输的开始。启动信号是由主控器主动建立的，在建立该信号之前 I2C 总线必须处于空闲状态，如下图所示。

3、停止信号(Stop)

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。

4、数据位传送

在 I2C 总线上传送的每一位数据都有一个时钟脉冲相对应（或同步控制），即在 SCL 串行时钟的配合下，在 SDA 上逐位地串行传送每一位数据。进行数据传送时，在 SCL 呈现高电平期间，SDA 上的电平必须保持稳定，低电平为数据 0，高电平为数据 1。只有在 SCL 为低电平期间，才允许 SDA 上的电平改变状态。

5、应答信号（ACK 和 NACK）

I2C 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，就在第9个时钟脉冲期间释放数据线，由接收器反馈一个应答信号。应答信号为低电平时，规定为有效应答位（ACK 简称应答位），表示接收器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），一般表示接收器接收该字节没有成功。对于反馈有效应答位 ACK 的要求是，接收器在第 9 个时钟脉冲之前的低电平期间将 SDA 线拉低，并且确保在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。如果接收器是主控器，则在它收到最后一个字节后，发送一个 NACK 信号，以通知被控发送器结束数据发送，并释放 SDA 线，以便主控接收器发送一个停止信号。

二、程序设计

2.1、I2C控制器源码获取

I2C 时序虽然简单，但是写的不好也会出现很多问题，在开源网站 http://opencores.org/ 上我们可以找到很多非常好的代码，这些代码大部分都提供详细的文档和仿真。俗话说，他山之石，可以攻玉，恰当的使用开源代码，不光能提升我们的开发效率，也能学习别人的开发思路。由于代码大部分都是经过很长时间反复修改，反复精炼后的，所以有些代码理解起来可能比较困难，在不能很好的理解别人代码的时候，最好的办法就是仿真。

如何下载开源的i2c控制器代码呢？且听娓娓道来。

注：下载前需要先注册账号！

1、进入 opencores 后，点击左侧的 PROJECTS，如下图所示：

2、打开其中的Communication controller，如下所示：

3、找到I2C controller core，并点击进入选择download，进行下载，如下图所示：

2.2、读写EEPROM程序设计

从 IP core 文档得知，i2c_master_byte_ctrl 模块主要完成一个字节的读写，我们只需要按照 I2C 读写的要求，完成设备地址、寄存器地址、数据等读写即可。

而 i2c_master_top 模块是我们对 i2c_master_byte_ctrl 模块的再次封装，完成一个寄存器的读写，由于不同的设备寄存器可能是 8bit，也可能是 16bit，这里 i2c_addr_2byte 信号来控制寄存器地址是 8 位还是 16 位。对于i2c_master_top 模块状态机来说，读写寄存器操作流程如下：

如果是写操作：先写一个字节设备地址（写操作），再写 1 个字节或 2 个字节的寄存器地址，再写一个字节的数据；
如果是读操作：先写一个字节的设备地址（写操作），再写 1 个字节或 2 字节的寄存器地址，完成地址的写入，再次写设备地址（读操作），然后读取一个字节的数据。

不管怎么说，程序设计都是要满足芯片时序要求的，所以在阅读程序之前最好先把芯片的数据手册仔细阅读一遍。

i2c_master_top 状态机的状态转换图如下图所示：

i2c_master_top 模块端口列表如下：

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
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clk_div_cnt	in	I2C 时钟分频因子，等于系统时钟频率/（5 * I2C 时钟频率） - 1。例如 50Mhz 系统时钟，100Khz 的I2C，配置为 99，400Khz 的 I2C，配置为 24
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scl_pad_i	in	I2C 时钟数据输入，本实验可忽略
scl_pad_o	out	I2C 时钟输出
scl_padoen_o	out	I2C 时钟输出使能，低有效，I2C 外部有上拉电阻，如果输出高阻态，则会被拉到高电平，在本实验中，高电平输出时输出高阻
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sda_pad_i	in	I2C 数据输入
sda_pad_o	out	I2C 数据输出
sda_padoen_o	out	I2C 数据输出使能，低有效。在本实验中，高电平输出时输出高阻。
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i2c_addr_2byte	in	寄存器地址是 8 位还是 16 位，1表示 16 位，0表示 8 位
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i2c_read_req	in	I2C 寄存器读请求
i2c_read_req_ack	out	I2C 寄存器读请求应答
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i2c_write_req	in	I2C 寄存器写请求
i2c_write_req_ack	out	I2C 寄存器写请求应答
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i2c_slave_dev_addr	in	I2C 设备地址，8bit，最低位忽略，有效数据位是高 7位。
i2c_slave_reg_addr	in	寄存器地址，8 位地址时，低 8 位有效
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i2c_write_data	in	写寄存器数据
i2c_read_data	out	读寄存器数据
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error	out	设备无应答错误

i2c_eeprom_test 模块完成 EEPROM 的读写，EEPROM 设备地址是 A0，程序中将地址 00 的数据读出，然后通过 LED 显示，在 KEY2 按下时，数字加一并再次写入 EEPROM 并显示出来。在 I2C控制器中，代码的大部分功能在备注中也有很多批注。