FPGA入门基础之I2C接口设计（二）

引言：本文基于上一篇博文I2C理论知识，通过FPGA实现读写EEPROM（AT24C02）芯片实战操作，进一步了解如何利用HDL实现I2C接口驱动设计。

1. 硬件设计

1.1 概述

Atmel®AT24C01C/02C提供1024/2048位的串行电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），其组织为128/256个字，每个字8位。这两种设备都包含级联功能，最多允许八个设备共享一条通用的2线总线。这些设备被优化用于许多工业和商业应用，其中低功率和低电压操作是必不可少的。

图1：AT24C01C/02C管脚及常见封装

AT24C01C/02C有节省空间的8引脚PDIP、8引脚SOIC、8引脚TSSOP、8引脚UDFN、5引脚SOT23和8球VFBGA封装。此外，整个系列的工作电压为1.7V至5.5V VCC。

1.2 管脚描述

串行时钟（SCL）：SCL输入用于将上升沿沿时钟数据输入每个EEPROM设备，并将下降沿沿时钟数据输出每个设备。该引脚是开漏极驱动的。

串行数据（SDA）：SDA引脚是双向的，用于串行数据传输。该引脚是开漏极驱动的。

设备/页面地址（A2、A1、A0）：A2、A1和A0引脚是AT24C01C/02C的硬接线设备地址输入。在单个总线系统上可以寻址多达八个1-Kbit或2-Kbit设备。

写保护（WP）：AT24C01C/02C有一个写保护引脚，可提供硬件数据保护。当连接到地（GND）时，写保护引脚允许正常的读/写操作。当写入保护引脚连接到VCC时，写入保护功能被启用，并如表1所示进行操作。

表1：写保护管脚

1.3 原理图设计

图2：AT2C02原理图设计

2. 软件设计

2.1 器件地址寄存器

设备地址字由前四个最高有效位的强制性“1010”（0xA）序列组成，如图4所示，这对所有串行EEPROM设备都是通用的。

图3：AT2C02器件地址寄存器

接下来的三个位是1K和2K EEPROM的A2、A1和A0设备地址位。这三个位必须与其相应的硬接线输入引脚A2、A1、和A0进行比较，以便部件进行确认。设备地址的第八位是读/写操作选择位。如果该位为高，则启动读操作，如果该位低，则启动写操作。

2.2 写操作

（1）单字节写操作

EEPROM单字节写操作如图4所示。

图4：字节写操作时序图

①主机产生起始信号（START）给从机；

②主机将控制命令（含器件地址DEveice address、WRITE）给从机；

③从机接收到控制命令后，回传应答信号（ACK）给主机；

④主机收到从机回传的应答信号（ACK）后，发送Word Address给从机；

⑤从机接收到写地址后，回传应答信号（ACK）给主机；

⑥主机收到从机回传的应答信号（ACK）后，发送写Data给从机；

⑦从机接收到写数据后，回传应答信号（ACK）给主机；⑧主机收到从机回传的应答信号（ACK）后，产生STOP信号从机，单字节写操作结束。

（2）页写操作

Atmel AT24C02，2K串行EEPROM：内部组织32页，每页8字节，2K需要一个8位数据字地址用于随机字寻址。

页面写入与字节写入相同，但主机在第一个数据字被计时后不会发送停止条件。相反，在EEPROM确认接收到第一个数据后，主机最多可以发送七个字节。在接收到每个数据字之后，EEPROM将以ACK作为响应。主机必须在“停止”条件下终止页面写入序列。

在接收到每个数据字之后，数据字地址的低三位在内部递增。较高的数据字地址位不递增，保留存储器页行位置。当内部生成的字地址到达页面边界时，下面的字节被放置在同一页面的开头。如果超过八个数据字被传输到EEPROM，数据字地址将“翻转”，并且先前的数据将被覆盖。

EEPROM页写操作如图5所示，页写操作与单字节写操作类似，不在描述。

图5：页写操作时序图

2.3 读操作

（1）随机读操作

EEPROM随机读操作如图6所示。

图6：随机读操作时序图

①主机产生起始信号（START）给从机；

②主机将控制命令（含器件地址DEveice address、WRITE）给从机；

③从机接收到控制命令后，回传应答信号（ACK）给主机；

④主机收到从机回传的应答信号（ACK）后，发送Word Address给从机；

⑤从机接收到读地址后，回传应答信号（ACK）给主机；

⑥主机再次产生起始信号（START）给从机；

⑦主机将控制命令（含器件地址DEveice address、READ）给从机；

⑧从机接收到读命令后，回传应答信号（ACK）给主机；

⑧~⑨主机收到从机回传的应答信号（ACK）后，开始接收从机发送过来的读数据；

⑩数据接收完成后，主机产生一个时钟的高电平无应答信号；

⑪主机产生STOP信号从机，随机读操作结束。

注意，随机读操作先进行了一次写操作然后进行读操作。因为我们需要使从机内的存储单元地址指针指向我们想要读取的存储单元地址处，所以首先发送了一次Dummy Write也就是虚写操作，只所以称为虚写，是因为我们并不是真的要写数据，而是通过这种虚写操作使地址指针指向虚写操作中字地址的位置，等从机应答后，就可以以当前地址读的方式读数据了。

（2）顺序读操作

I2C 顺序读操作就是对寄存器或存储单元数据的顺序读取。假如要读取 n字节连续数据，只需写入要读取第一个字节数据的存储地址，就可以实现连续n字节数据的顺序读取。EEPROM随机读操作如图7所示。

图7：顺序读操作时序图

2.4 FPGA实现

（1）软件实现
本文要利用FPGA通过I2C接口实现AT24C02 EEPROM读写操作。具体功能如下：

（1）I2C总线接口读写功能；

（2）将读出的数据显示在数码管上；

（3）按键消抖功能。软件功能模块划分如图8所示。

图8：软件功能模块框图

各个模块功能：

（1）eeprom_byte_rd_wr.v模块为顶层模块，实现模块间互联；（2）i2c_ctrl.v实现I2C总线接口对外通信功能；
（3）i2c_rw_data.v实现I2C读写控制功能；
（4）Segma.v实现EEPROM读出数据显示功能；

（5）KeyJitters.v实现按键操作消抖功能。

 （2）测试结果

软件下载至电路板，EEPROM读出数据正常显示在数码管上，如图9所示。

图9：EEPROM读出数据显示