I2C介绍及verilog实现（主机/从机可综合）

目录

1.简介

2.基本特征

3.物理连接

4.数据格式

4.1快速模式和低速模式（F/S）写

 4.2快速模式和低速模式（F/S）读

4.3高速模式（Hs）读/写

 4.4连续多次读/写

5.时序

5.1开始位和停止位

 5.2字节传输时序

5.3字节内传输顺序

6.功能描述及模块分析

7.具体设计

7.1主机模块

7.1.1设计思路

7.1.2master状态机

7.2.从机模块

8.I2C顶层接inout口处理

9.代码及仿真

9.1测试模型结构

 9.2测试结果

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1.简介

I2C是一种只有2条线的串行通信协议。可用于IC内部通信，也可以用于IC间的通信，广泛用于开关电源、触控芯片、简单的显示芯片等。

2.基本特征

（1）2条通信线，SDA数据线，SCL时钟线。

（2）串行的8-bit双向数据传输，速率分为：

• 低速模式/标准模式（standard-mode），100 kbit/s；
• 快速模式（fast-mode），400 kbit/s；
• 加强快速模式（Fast-mode Plus），1 Mbit/s；
• 高速模式（high-speed），3.4 Mbit/s；

（3）在超快速模式下（UFm），最快可达5Mbit/s（单向传输）。

（4）可支持多mater，多slave。

3.物理连接

 在bus上可以接入多个主机、多个从机，需要接入上拉电阻，在无操作时，线上电压为高电平。

（本文介绍的所有内容仅牵涉单主机，多主机内容和参考附件1）

4.数据格式

在F/S模式和Hs模式下的数据格式不同，其中又分读数据格式、写数据格式。

•  白心方框——从机传输给主机
• 灰色方框——主机传输给从机
• A       ——响应位
• A       ——不响应位
• S       ——开始位
• P       ——停止位

4.1快速模式和低速模式（F/S）写

       数据传输从开始位开始，接着传输一个7位地址（slave address，这里不介绍10bits地址）和1bit读写位（0：写，1：读）。这里进行写操作，因此读写位为0。接着主机会接收来至从机的1bit响应位（1：未响应，0：响应ok）。若此时从机响应，则主机接着传输需要写入的数据（8 bits），未响应则进入停止位。每一字节传输后都需要接收一次响应，若从机响应再继续传输，若从机未响应，则主机直接进入停止位。最后，当数据传输完成后，主机进入停止位，完成传输。

        slave address用于寻找对应的芯片，例如，一个电路板上有多个开关电源，但我们只想用一个I2C主机控制，则可以将所有的SDA和SCL分别接到一起，并给不同的开关电源分配不同的地址。在主机发出开始位和地址位时，所有的开关电源（从机）都会接收到该信号，并将接收的地址同设置好自身的地址对比，若相同，则在响应位拉低SDA，响应主机，否则保持高电平。

 4.2快速模式和低速模式（F/S）读

4.3高速模式（Hs）读/写

Hs模式和F/S模式的数据格式基本相同，只是在开始位后会先发送master code。发送完master code后不需要响应，接着进入Hs模式。传输完成后，可发送停止位或者发送再开始位（Sr）进入下一次传输。

master code为可理解成Hs的标志，传输完master code后就可认为主机进入了Hs模式，若从机支持Hs模式，也应该进入Hs模式。master code是一个8位数据（0000_1xxx），应该注意0000_1000是测试用的保留字段，不能作为master code。同时也应该注意，slave address需避开master code的特征（参考文献1）。

 4.4连续多次读/写

5.时序

5.1开始位和停止位

从图中可看出，开始位需要满足的条件：SCL高电平时，SDA由高变低；停止位需要满足的条件：SCL为高电平时，SDA由低变高。（Sr和S的时序一致）

 5.2字节传输时序

结合5.1可看出，SDA电平变化不能在SCL为高电平时进行，否则可能会被误认为成开始位或者停止位。因此SDA只能在SCL低电平时改变。

5.3字节内传输顺序

 在字节内，先传输MSB。

6.功能描述及模块分析

关于I2C介绍网上资料很多，这里介绍了一些重点知识点，朋友可自行网上学习。下面开始说明verilog的具体实现。

（1）实现将fifo传过来的8bits数据转换成I2C串行数据输出的主机和接收数据从机。

（2） 这里用到的fifo由vivado ip直接产生。主机使用一个时钟wclk，一个异步复位（不采用I2C协议的软复位）。wclk分频模块分频后用于产生SCL，分频系数可配。

（3）在设计从机时，可以使用SCL和SDA设计时序电路实现数据接收，但这种设计并不灵活，很难添加其它功能，因此在此设计仍采用单独时钟用于接收数据。

（4）通常slave会先将SDA和SCL先滤波，这里不设计（后面单独讲一下如何滤波）。

（5）计划分4个模块，一个fifo发送模块，一个fifo接收模块，一个I2C主机模块，一个I2C从机模块。

特征：

• 支持I2C主机读写、I2C从机读写
• 支持Hs、F/S模式
• 支持分频系数可配
• 支持读写连续帧
• 从机被主机读时，若从机数据没准备好，可进入等待状态，同时拉低SCL，直到slave的txfifo有数据写入
• 从机被写入数据时，若slave的rxfifo满时，可进入等待状态，直到rxfifo的数据被读出

7.具体设计

7.1主机模块

7.1.1设计思路

从数据格式可看出，一次完整的I2C传输至少包含起始位、停止位、响应位、数据传输位，Hs模式时还需要传输master code位，因此I2C的状态也至少包含以上这些状态。另外，由于时序特征，SDA只能在SCL低电平时改变，因此在设计时，可以再细分三个状态将1bit数据分三段传输，开始位和停止位可分为2段。该设计则是用一个计数器的方式控制SDA、SCL的电平，并为再细分。

7.1.2master状态机

关于状态机的具体设计，可参考如下图，该状态机基本可满足现阶段常用的I2C从机。这里不做具体分析，建议配合代码理解。

7.2.从机模块

这里同样给出从机的状态机

8.I2C顶层接inout口处理

如代码所示，在设计时，sda、scl分为输入和输出4条线，但芯片外部却只有2条线。这需要如何实现呢？这就牵涉inout类型端口处理。

我们看下面这张图，out信号可以通过en0使能信号控制输出。对应到i2c，总线是有上拉电阻的，所以不操作总线时，总线就是高电平，那么我们只需要在out输出低电平时打开使能即可，即en0 = ~out。对于输入，设想当out为0时，en1也打开，那就没办法接收slave传回的真正信号了，因为不管slave输出什么，此时in肯定时0。那么en1需要在out为高时打开，及en1 = out。这就是为什么有人说只要master和slave一个为低，总线也为低。其实协议的响应位也是考虑了这个因素，理解了这层意思，才能更好理解i2c协议，在设计时，也能考虑清楚各个状态机下的电平赋值。

在fpga设计中代码如下:

assign sda    = （sda_out）? 1'bz:sda_out;

assign sda_in  = （sda_out）?sda:1'b1;

在ic设计中，pad有专门的模块，对设计者来说只需要生成对应的en信号即可。具体实现方式和上图类似，只是不需要设计人员写代码，而是用专门的cell模块处理。

9.代码及仿真

详细代码较长，放在下载区：

I2C主机及从机Verilog代码实现.zip-硬件开发文档类资源-CSDN下载

9.1测试模型结构

通过vivado搭建仿真平台，生成fifo ip，代码结构如图（仿真时未使用master的rx）：

 

 9.2测试结果

前8位为master code，然后进入hs模式，master传输6个数据，接着master读6个数据。 

 

测试代码如下：

`timescale 1ns/1ps
module i2c_test();
//assign sda = (msda_out)? 1'bz:msda_out;
//assign msda_in  = (msda_out)?sda:1'b1;
reg       wclk         ;
reg       rst_wclk_n   ;
reg       i2c_en       ;
wire      txfifo_empty ;
wire [7:0]tx_data      ;
wire      sda_out      ;
wire      scl_out      ;
wire      txfifo_rd_en ;
wire [7:0]rx_data      ;  
reg       wr_en ;
reg [7:0]     din;
reg       swr_en;
reg [7:0]   sdin;
wire [7:0] stx_fifo_dat;
wire [7:0] s_rx_dat;
//clock
initial
begin
    wclk = 1'b0;
    forever #50 wclk = ~wclk;
end
//reset
initial
begin
    rst_wclk_n = 1'b0;
    #5000;
    rst_wclk_n = 1'b1;
end
//master control
initial
begin
    i2c_en = 1'b0 ;
     #6000;
            repeat(6) 
            begin
              @(posedge wclk)begin
                    din    <= $random%255;
                    wr_en  <= 1'b1;
                end      
            end       
             repeat(6) 
            begin
              @(posedge wclk)begin
                    sdin    <= $random%255;
                    swr_en  <= 1'b1;
                end      
            end           
            @(posedge wclk)
            begin
                i2c_en <= 1'b1;
                wr_en   <= 1'b0;
            end
            #20000;
            force i2c_master.scl_in = 1'b0;
            #500;
            release i2c_master.scl_in;
end

i2c_master i2c_master(
      .wclk        (wclk         ),
      .rst_wclk_n  (rst_wclk_n   ),
      .i2c_en      (i2c_en       ),
      .txfifo_empty(txfifo_empty ),
      .hs_mode     (1'b1         ),
      .data_wr_rd  (1'b1         ),
      .master_code (8'b1001_0001 ),
      .slave_addr  (8'b1010_1010 ),
      .tx_data     (tx_data      ),
      .i2c_comb_wr (1'b1         ),
      .rx_byte_num (8'd4         ),
      .div_num     (8'd100        ),
      .hs_div      (8'd10        ),
      .sda_in      (ssda_out     ),
      .scl_in      (sscl_out     ),
      .sda_out     (sda_out      ),
      .scl_out     (scl_out      ),
      .txfifo_rd_en(txfifo_rd_en ),
      .rx_data     (rx_data      ),
      .rx_wr_en_out(rx_wr_en_out )
);
i2c_slave i2c_slave(
    .sscl_in           (scl_out           ),  
    .ssda_in           (sda_out           ),  
    .wclk              (wclk              ),  
    .rst_wclk_n        (rst_wclk_n        ),  
    .slave_en          (1'b1              ),  
    .stxfifo_empty     (stxfifo_empty     ),     
   // .srxfifo_full      (srxfifo_full      ),     
    .stx_fifo_dat      (stx_fifo_dat      ),     
    .rxfifo_almost_full(rxfifo_almost_full),          
    .master_code       (8'b1001_0001      ),   
    .slave_addr        (8'b1010_1011      ),   
    .sscl_out          (sscl_out          ),   
    .ssda_out          (ssda_out          ),   
    .rx_sdat            (s_rx_dat          ),   
    .srxfifo_en        (srxfifo_en        ),
    .stx_fifo_rd_en    (stx_fifo_rd_en   )
);

i2c_txfifo master_txfifo (
  .clk(wclk),            // input wire clk
  .srst(~rst_wclk_n),    // input wire srst
  .din(din),             // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(wr_en),         // input wire wr_en
  .rd_en(txfifo_rd_en),  // input wire rd_en
  .dout(tx_data),        // output wire [7 : 0] dout
  .full(),               // output wire full
  .empty(txfifo_empty)   // output wire empty
);

slave_rxfifo  slave_rxfifo(
  .clk(wclk),                  // input wire clk
  .srst(~rst_wclk_n),                // input wire srst
  .din(s_rx_dat ),                  // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(srxfifo_en),              // input wire wr_en
  .rd_en(rd_en),              // input wire rd_en
  .dout(dout),                // output wire [7 : 0] dout
  .full(srxfifo_full),                // output wire full
  .almost_full(rxfifo_almost_full),  // output wire almost_full
  .empty(empty)              // output wire empty
);

slave_txfifo slave_txfifo (
  .clk(wclk),      // input wire clk
  .srst(~rst_wclk_n),    // input wire srst
  .din(sdin),      // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(swr_en),  // input wire wr_en
  .rd_en(stx_fifo_rd_en),  // input wire rd_en
  .dout(stx_fifo_dat),    // output wire [7 : 0] dout
  .full(full),    // output wire full
  .empty(stxfifo_empty)  // output wire empty
);
endmodule

附件1：I2C-bus specification and user manual（忘了免费下载地址了……🤦‍）