【协议项目之 I2C】(一) 基本时序与实现

一、基本介绍

  I²C协议（集成电路总线）使用两根线SDA和SCL实现数据传输，其连接如下图所示，总线上通过上拉电阻可以挂载各种低速外设,例如EEPROM 24C02,传感器等。

  使用I²C，可以将多个从机（Slave）连接到单个主设备（Master），并且还可以有多个主设备（Master）控制一个或多个从机（Slave）。

一、启动时序与时钟产生(START condition)

  启动时序如下图所示，

  在总线空闲时，SDA,SCL都处于高电平。而在启动I²C传输时，主设备先将SDA拉低，再将SCL拉低。开始标志之后，就开始传输数据，传输数据要求保证在SCL的高电平时期保持不变，否则会被误识别为停止标志或者其他标志。
  假设SDA是sda_clk的时钟下降沿发生变化，其中sda_clk是I²C模块的内部时钟之一。带有sda_clk的参考时序图如下所示。

  该图的绘制代码如下，可以在这个网站使用js进行绘制

{signal: [
  {name:'scl_clk',wave:'p.......|',data:['data1','data2','data3']},
  {name:'SDA',wave:'1.0====|.',data:['data1','data2','data3'],phase:-0.5},
  {name:'SCL',wave:'1.0p....',data:['data1','data2','data3'],phase:-0.75},
]}

  如上图，以scl_clk为基准参考，SDA是由该时钟生成的同步电路，并且我们就假设SDA都是在时钟下降沿发生变化。由于SCL需要满足I²C协议中的以下两个条件：

1.在启动时序中，SCL其拉低是在SDA之后的，而SDA拉低是在时钟下降沿(以上升沿为参考，下降沿的相位移动是phase:-0.5，遵循函数左加右减规则)
2.SCL的高电平区域在传输数据时不允许SDA发生跳变，即SDA的数据变化必须落在SCL的低电平区域

  基于以上的要求，我们可以推导出时钟相关信号的生成步骤

  时钟产生的逻辑是，首先对高速时钟进行1000分频（即添加500计数器clk_div，每数到500就进行一次翻转），这样就生成了时钟scl_clk;

//scl_clk生成（驱动sda）
always@(posege clk_i)
	if(clkdiv < CLK_DIV)
		clkdiv=clkdiv+1'b1;
	else begin
		clkdiv=16'd0;
		scl_clk<=!scl_clk;
	end

  接着，根据scl_clk生成下降沿转换的状态机IIC_S。SDA由状态机的状态组合逻辑产生，也是在scl_clk下降沿跳变。
  由于SCL需要满足两个条件（上文提到）。我们先产生与时钟下降沿对齐的scl_r中间信号，然后再进行调整。scl_r的逻辑就是在IDLE或者STOP1/2这些状态为高，其余状态为scl_clk的取反。

//scl_r生成逻辑，IIC_S为状态机状态
always@(*)begin
	if(IIC_S==IDLE || IIC_S ==STOP1 || IIC_S ==STOP2)
		scl_r<=1'b1;
	else
		scl_r<=~scl_clk;

  为了满足两个条件，我们发现只要把scl_r略微右移就可以实现。为了实现略微右移，我们先生成scl_offset信号。

parameter OFFSET=CLKDIV-CLK_DIV/4;
wire scl_offset=(clkdiv==OFFSET);

  scl_clk是在clk_div==CLKDIV时候翻转，而scl_offset比其早了0.25个CLKDIV计数，其关系如上图所示。
  我们基于scl_offset对scl_r进行滞后采样，根据图上关系所示，从而生成SCL波形（iic_scl）,这样可以满足两个条件

	iic_scl<=scl_offset?scl_r:iic_scl;

二、停止时序(STOP condition)

  I²C协议中对停止时序的要求是，SCL先拉高，然后SDA再拉高。这个时序刚好与启动时序相反。由于上一节中提到，SCL是scl_r滞后采样得到的，因此需要SCL率先拉高，就需要scl_r比SDA率先拉高。因此可以将STOP状态定义为两个状态，STOP1和STOP2.

  如果只有一个停止·状态（例如只有stop1），那么SDA就要在STOP位置高，如上图SDA_wrong所示，而scl_r也同样在此时置高，SCL滞后于scl_r,这样就会导致SCL比SDA_wrong更晚拉高，不满足停止时序所要求的SCL率先拉高。
  因此我们分出两个停止状态STOP1,STOP2,将scl_r现在STOP1就拉高，而将SDA在STOP2再拉高，这样一来就满足了SCL先于SDA拉高的时序，并且两者拉高的间隔小于一个scl_clk时钟周期（由于滞后采样的原因）

三、状态机分析(基于EEPROM应用)

  以上只是简单写一个包（8bit）的状态演示，其状态还不够完备。
  由于是想要用于驱动E²PROM的，因此有些完备状态的补充，我们需要参考E²PROM的用户手册

字节写

  如下图所示，为字节写的时序，本质是实现了连续三次的写数据。首先是开始标志，标志着I²C传输的开始。然后紧接着是八位指令

  该指令构成如下

  其中1010是该器件24C02内部规定好的，用于标志总线的设备类型，其实属于地址的一部分，用来区分不同的设备。然后后面紧接着的A2 to A0是器件的地址，可以在器件的这三个引脚给出高低电平来设置某个EEPROM 24C02器件的地址。最后一位是度或者写指令，其中为0表示写为1表示读。
  以上就是指令的构成格式。指令结束后，经过一位ACK，然后主机在总线上写入连续8位（第二个包，指令是第一个包）作为写入E²PROM的地址，然后再经过一位ACK，主机在总线上写入连续8位（第三个包）作为数据，最后经过一位ACK产生停止标志，这样就完成了对特定地址的写操作。
  因此，从字节写操作中，我们发现对状态的要求有：在一个包内，需要能用重复发8bit数据。此外包与包之间是连续发送，仅隔了一个ACK，并没有经历新的START。所以发完一个包并不能进入STOP和IDLE状态。因此我们设计满足字节写操作的状态机如下图所示。

连续写（写一页（8BYTE））

  是写一个字节操作的扩展，可以发现上述状态机仍然满足连续写，只是再下一个包的循环中多循环几轮的差别，我们可以再状态转移逻辑中对其进行设置，例如设置一个写包计数器，来表征需要连续写入字节的个数，计数器归零后发送停止条件。

读当前字节

  EEPROM内部是有指针的，内部计数器指向上一个操作地址的下一地址空间。
  如时序图所示，主设备写入读命令后，接收到EEPROM的一个ACK回答，然后连续在总线上读取8位数据地址（其中高位在前），主器件接收完毕后，无需回送ACK，只需要发送停止标志即可。

读随机字节

  随机读，即读特定地址的一个字节的数据，时序如上图所示。主机先在总线上写1Byte的指令来表征要进行写操作，紧接着写需要读的8位地址。然后再重新给出起始条件，转为在总线上写1Byte的指令来表征要进行的读操作，然后再读取地址。

连续读字节

  连续读可以理解为读的扩展，不管是直接读还是随机读，都可以发送ACK来继续下一次读取，EEPROM内部计数器会自动加一。

  综上所述，其实主机发送的指令其实只有两种，分别是读指令和写指令，

  其中R为1，W为0.由于对应某一个特定的EEPROM器件，其指令高7位地址都是相同的，因此主机对其发送的指令只有最低位为1（读）和最低位为0（写）这两种指令。每次主机发送一种指令都需要一个起始位。因此读写转换，写读转换都需要重新发送起始位。
  我们以随机读为例，随机读相对于直接读，前面多了俩字节，而后面的两字节（主机往总线上写入读指令，主机接收读到的数据）是相同的。前面的两字节是往总线上写入写指令和写地址，我们比较一下写字节指令，只给出了要写的地址，并未给出要写的数据，因此它可以改变内部指针计数器，而并未真的写入，这样就实现了随机读的功能。
  基于以上分析，就有了下述状态机的设计。