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。
文章目录
- 一、实验原理
-
- 1.1、硬件电路
- 1.2、I2C的总线协议和时序
- 二、程序设计
-
- 2.1、I2C控制器源码获取
- 2.2、读写EEPROM程序设计
- 三、下载实验
- 四、使用在线调试 Fabric Debugger观察信号
- 参考
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 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| 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。 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| 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 |
| - | - | - |
| i2c_write_data | in | 写寄存器数据 |
| i2c_read_data | out | 读寄存器数据 |
| - | - | - |
| 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。
三、下载实验
下载实验程序后，可以看到 LED 显示一个二进制数字，这个数字是存储在 EEPROM 中 00 地址的数据，数据是随机的，这个时候按键 KEY2 按下，数字加一，并写入了 EEPROM，再次下载程序，可以看到直接显示更新后的数据。
四、使用在线调试 Fabric Debugger观察信号
使用 Fabric Debugger 可以非常直观的看到程序在开发板上运行时各个信号的变化，在本例程中添加一个 Debug Core 来观察程序运行时各数据线的变化情况。具体操作步骤如下：
- 1、打开PDS软件，选择工具栏的“
Inserter”，如下图所示：
- 2、在弹出界面选择
New DebugCore Unit来新建一个Debug Core，如下图所示：
- 3、单击
U0：DebugCore，会跳到参数设置界面，在"Trigger Parameters"栏中根据需求选择采样深度Sample Depth。这里全部保持默认，如下图所示：
- 4、在"
Net Connections"栏中选择Modify Connections，进行Net修改；
- 5、弹出的界面中，首先在
TriggerPort栏中进行观测信号关联。本例中，选择左侧read_data，然后单击Make Connections，可以在TriggerPort栏中看到关联的观测信号read_data，如下图所示：
注：read_data有七路信号，所以占了7位。
- 6、以同样的方式对
Clock栏中时钟信号关联，选择左侧nt_sys_clk，然后单击Make Connections，可以在Clock栏中看到关联的观测信号nt_sys_clk，然后单击 OK，如下图所示：
- 7、回到如下界面，直接关闭即可，如下图所示：
- 8、接下来重新生成
.sbit文件。右击Generate Bitstream，选择Rerun All，在弹出的窗口选择Yes后，等待全编译完成，会生成带有在线调试DebugCore的比特流文件，如下图所示：
- 9、上面的工作准备好后，接下来才是正式开始调试， 单击
Debugger（确保开发板上电并连接了下载器），如下图所示：
- 10、单击 JTAG 扫描按钮，在找到后单击
OK，如下图所示：
- 11、右击
DEV:0MyDevice0，在下拉菜单中单击Configure Bitstream File，如下图所示：
- 12、在弹出窗口，选择刚刚编译生成的比特流文件，点击
Open，最后点击OK，如下图所示：
- 13、到此，程序已下载到 FPGA 中，可以在线观察所需要的信号，选择
Waveform，选择触发模式为连续，并单击run，如下图所示：
- 14、可以看到
read_data数据，每按一次KEY2键运行一次可以看到数据增加1。
参考
- 【蓝桥杯单片机组模块】5、EEPROM模块
- 【紫光同创国产FPGA教程】