I2C 总线控制器及读写 EEPROM实验内容,适合FPGA初学者
I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线,它只需要两根线(SDA数据线和SCL时钟线)即可在连接于总线上的器件之间传送信息。EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)是一种常见的非易失性存储器,它可以通过I2C总线进行读写操作。 II2C 总线具备广泛的用途,比如寄存器的配置,EEPROM 的使用,更重要的是 I2C 总线上可以挂载非常多的外设。 对于一些低速器件的访问非常节省 IO 资源,由于是标准的总线接口,使用起来非常方便。 ### I2C总线控制器及读写EEPROM详解 #### 一、概述 I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线技术,广泛应用于电子设备间的数据通信。该总线仅需两根线——SDA(数据线)和SCL(时钟线)即可实现器件间的通信。由于其简洁的设计,I2C总线特别适用于FPGA等资源有限的应用场景。 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)是一种非易失性存储器,常用于保存需要频繁更新的小型数据。通过I2C总线,可以方便地对EEPROM进行读写操作。这种特性使得I2C成为许多嵌入式系统的首选通信协议之一。 #### 二、I2C总线原理 **1. 物理层** - **SDA和SCL**: I2C总线采用开漏输出结构,这意味着SDA和SCL引脚在没有被驱动的情况下呈现高阻态。因此,通常会在总线上添加上拉电阻,确保总线在空闲时保持高电平。 - **上拉电阻**: 上拉电阻的选择对于信号完整性至关重要。一般推荐值为4.7kΩ至10kΩ之间。 **2. 通信协议** - **开始条件**:为了启动一次通信,主控器(Master)会在SCL保持高电平的同时将SDA从高电平拉低。这是所有通信序列的开始标志。 - **地址帧**:每个通信序列的第一个帧为地址帧,其中包含7位的设备地址以及1位读写指示符(R/W)。读写指示符为1时表示读操作,为0时表示写操作。 - **数据帧**:数据帧为8位,每个数据帧传输后都需要一个应答位(ACK/NACK)。 - **应答位**:当数据帧传输完成后,接收方需要返回一个ACK或NACK。ACK(应答确认)表示数据正确接收,NACK(不应答)表示接收失败或其他错误情况。 - **停止条件**:通信结束时,主控器会发出停止条件,即在SCL为高电平时将SDA从低电平拉高。 **3. 数据传输** - **数据格式**:数据传输遵循先高位后低位的原则。每个字节传输完成后,接收方需要发送一个ACK或NACK。 - **时序要求**:数据应在SCL处于低电平时放置到SDA上,并在SCL变为高电平时被采样。 **4. 重复开始条件** - **应用场景**:当主控器需要与同一总线上的不同从机进行连续通信时,可以使用重复开始条件来避免释放总线控制权。 - **操作步骤**:在SCL为低电平时将SDA从低电平拉高,接着将SCL拉高,之后再执行开始条件。 #### 三、读写EEPROM操作 **1. 初始化EEPROM** - **设置地址**:需要通过I2C总线设置EEPROM的地址,以便后续的读写操作能正确定位。 - **配置模式**:某些EEPROM允许配置不同的工作模式,如页模式或字节模式等,这一步骤同样通过I2C总线完成。 **2. 写操作** - **启动条件**:启动I2C总线,发送EEPROM的地址和写指示符。 - **数据帧**:依次发送需要写入EEPROM的数据字节。 - **结束条件**:发送停止条件结束写操作。 **3. 读操作** - **启动条件**:启动I2C总线,发送EEPROM的地址和读指示符。 - **数据帧**:从EEPROM读取数据字节。 - **结束条件**:发送停止条件结束读操作。 #### 四、FPGA设计实现 - **选择合适的库函数**:使用VIVADO2019.2软件,根据Xilinx A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA的硬件特性,选择合适的库函数。 - **模块化设计**:将I2C总线控制器和EEPROM读写功能设计成独立的模块,便于复用和测试。 - **状态机实现**:利用有限状态机(FSM)来实现I2C通信流程中的各个状态,确保数据的准确传输。 I2C总线因其简单高效的特性而在FPGA项目中有着广泛的应用。通过对I2C总线的工作原理及其与EEPROM的交互方式的理解,可以更好地设计出高效稳定的FPGA系统。
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