I2C接口EEPROM(24LC04芯片)设计Verilog代码Quartus AX301开发板

名称：I2C接口EEPROM(24LC04芯片)设计Verilog代码Quartus? AX301开发板

软件：Quartus

语言：Verilog

代码功能：

I2C?标准速率为?100kbit/s，快速模式?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。

在这里以?AT24C04?为例说明?I2C?读写的基本操作和时序，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。

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本代码已在AX301开发板验证，AX301开发板如下，其他开发板可以修改管脚适配：

1?实验简介

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。

2?实验原理

在开发板上，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?的写保护没有使能，不然?FPGA?会无法写入数据。因为在电路上?A0~A2?都为低，所以?24LC04?的设备地址为?0xA0。

2.1?I2C?的总线协议和时序

I2C?标准速率为?100kbit/s，快速模式?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。

在这里以?AT24C04?为例说明?I2C?读写的基本操作和时序，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。

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 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，就在时钟脉冲?9?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。

3?程序设计

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。

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。

i2c_master_top?模块是对?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。

i2c_master_top?模块状态机，如果是写寄存器操作，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。

部分代码展示:

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//?Copyright?(c)?2017,ALINX(shanghai)?Technology?Co.,Ltd????????????????????????//
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