FPGA技术：学习IIC协议的五种状态

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。

空闲态:  SCL 和 SDA 都为高电平，不进行通信的时候。

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。

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。

(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。

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:   
      if(IICWriteReq == 1'b1 || IICReadReq == 1'b1)  
          next_state <= IIC_START;     
   else        
    next_state <= IIC_IDLE;   
 IIC_START:     
   if(IICCnt == (IIC_Pre * 'd2))    
        next_state <= IIC_WRDATA;    
    else         
   next_state <= IIC_START;  
  IIC_WRDATA: 
       if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)     
       next_state <= IIC_ACK;   
     else      
      next_state <= IIC_WRDATA; 
   IIC_RDDATA:     
   if(IICBitCnt == 'd8 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)    
        next_state <= IIC_ACK;   
     else    
        next_state <= IIC_RDDATA;   
 IIC_ACK:    
    if(IICACKStopCnt == 'd1 && IICCnt == IIC_Pre /4 && iicCLK == 1'b0)  
          if(IICSendBytes == 'd3)         
        if(IICWriteReq == 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:      
  if(IICACKStopCnt == '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。

`timescale 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      
  always@(posedge clk)   
     if(IICReadDone == 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(  
  .sys_clk    
        (clk),     
      /*系统时钟*/ 
   .rst_n           
   (rst),           
  /*系统复位*/
    .IICSCL    
         (SCL),          
  /*IIC 时钟输出*/  
  .IICSDA        
     (SDA),          
   /*IIC 数据线*/
    .IICSlave    
       ('h1234),

    .IICWriteReq   
     (IICWriteReq), 
      /*IIC写寄存器请求*/  
  .IICWriteDone        (IICWriteDone),  

    /*IIC写寄存器完成*/    
.IICWriteData      
  ('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   
      (IICReadReq),   

     /*IIC读寄存器请求*/ 
   .IICReadDone  
      (IICReadDone), 
      /*IIC读寄存器完成*/    
.IICReadData     
   ()/*IIC读取数据*/);
endmodule

编辑：黄飞