FPGA实现IIC协议
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一. 简介
这是FPGA之旅设计的第五例啦！今天给大家带来的是IIC通信，IIC协议应用非常广泛，例如与MPU6050进行通信，配置OV5640摄像头、驱动OLED屏幕等等，都需要使用到IIC协议，所以掌握它是非常必要的，废话不多说，接着往下看。文末获取完整代码。
二. IIC简介
IIC协议分为主机和从机，所有的请求都是由主机发出，从机进行响应，从机是没有办法对主机进行读或写的。IIC协议共有两根线，数据线SDA和时钟线SCL，两根线就可以完成所有的通信请求，简直是太给力了。
三. IIC协议
终于到了IIC协议的部分。IIC协议简单来说，共有五种状态，这五种状态的有序组合就组成了完整的IIC通信，学习IIC协议，就是学习这五种状态。
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空闲态: SCL 和 SDA 都为高电平，不进行通信的时候。
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起始态：在SCL为高电平的时候，将SDA拉低，主机通知从机，开始进行通信。
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数据传输态：数据传输态，又可以分为读和写两个部分，过程都是一样的，就合在一起了，都是在SCL为低电平的时候，SDA将数据发送，在SCL为高电平的时候，将数据接收。
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(非)应答态：数据传输态完成后，必须接一个应答态或者非应答态，为了确定对方接收到了数据。在SCL为高电平的时候，检测到SDA为低电平，则为应答，否则为非应答。
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停止态：一次数据传输完成，由主机发起，在SCL为高电平的时候，SDA由低电平变成高电平。
了解了这五种状态后，接下来就要学习如何使用这五种状态来进行读写操作了。
(一) IIC写操作
下面就是一个完整的写操作，共包含三次数据传输态，第一次发送的是从机地址 + 0，第二次发送的是寄存器的地址，第三次写的是数据，写入寄存器中的数据。从机地址一般为7bit，与另外一bit共同组成8bit，0表示写，1表示读。
(二）IIC读操作
读操作要比写操作复杂一点，需要的状态多一些。一共有五个数据传输态，状态图如下了。
上面的流程图都是对从机的地址为7位以及从机的寄存器地址为8位的操作。
四. Verilog代码实现
有了上面的各个状态中，SDA和SCL的变换关系，以及读写的序列，就可以很方便的来写程序啦。
1. 首先，当然离不开状态机，根据上面叙述的五种状态，编写状态机，状态机中，将数据传输态分成了读和写两种状态。有了各个状态，操作SDA和SCL两根线不是易如反掌嘛
/*IIC 状态*/localparam IIC_IDLE = 6'b000_001; /*空闲态*/localparam IIC_START = 6'b000_010; /*起始态*/localparam IIC_WRDATA = 6'b000_100; /*写数据态*/localparam IIC_RDDATA = 6'b001_000; /*读数据态*/localparam IIC_ACK = 6'b010_000; /*应答态*/localparam IIC_STOP = 6'b100_000; /*停止态*/
2. 状态机的跳转条件如下，跳转条件和上面叙述的一样。单独看这个有点难懂，有些变量不明白其具体含义，可以结和仿真图形和完整代码进行理解。
/*状态机*/always @(*)begin case(state) IIC_IDLE: == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1) next_state <= IIC_START; else next_state <= IIC_IDLE; IIC_START: == (IIC_Pre * 'd2)) next_state <= IIC_WRDATA; else next_state <= IIC_START; IIC_WRDATA: == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) next_state <= IIC_ACK; else next_state <= IIC_WRDATA; IIC_RDDATA: == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) next_state <= IIC_ACK; else next_state <= IIC_RDDATA; IIC_ACK: == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0) == 'd3) == 1'b1) /*三个字节发送完成，进入停止态*/ next_state <= IIC_STOP; else next_state <= IIC_RDDATA; else if(IICSendBytes == 'd2 && IICReadReq == 1'b1) next_state <= IIC_START; else if(IICSendBytes == 'd4) next_state <= IIC_STOP; else next_state <= IIC_WRDATA; else next_state <= IIC_ACK; IIC_STOP: == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre/4 && iicCLK == 1'b1) next_state <= IIC_IDLE; else next_state <= IIC_STOP; default: next_state <= IIC_IDLE; endcaseend
各个部分实现的详细代码，就不列举出来啦，代码总计280多行，也不算多。通过本IIC模块，可以驱动OV5640摄像头，MPU6050模块和0.96寸OLED屏幕等等，后续会基于此模块，来驱动这些外设。
五. testbeach编写
还是按照流程走，编写完模块后，进行一下仿真，还真有错误，幸亏仿真了，哈哈哈。
1ns/1ps module testbench(); reg clk; reg rst; wire SDA; wire SCL; reg IICWriteReq; reg IICReadReq; wire IICWriteDone; wire IICReadDone; always # 50 clk = ~clk; initial begin clk = 1'b1; rst = 1'b1; IICWriteReq = 1'b0; IICReadReq = 1'b1; #100 /*手动复位*/ rst = 1'b0; #100 rst = 1'b1; end clk) == 1'b1) /*读完成后，readReq为0，只进行一次读写操作*/ IICReadReq <= 1'b0; else IICReadReq <= IICReadReq; IIC_Driver IIC_DriverHP( (clk), /*系统时钟*/ (rst), /*系统复位*/ (SCL), /*IIC 时钟输出*/ (SDA), /*IIC 数据线*/ ('h1234), (IICWriteReq), /*IIC写寄存器请求*/ (IICWriteDone), /*IIC写寄存器完成*/ ('h5a), /*IIC发送数据 8bit的从机地址 + 8bit的寄存器地址 + 8bit的数据(读忽略，后默认为0)*/ (IICReadReq), /*IIC读寄存器请求*/ (IICReadDone), /*IIC读寄存器完成*/ ()/*IIC读取数据*/); endmodule
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