基于FPGA的RTC实时时钟系统设计
描述
RTC（real time clock）实时时钟，在电脑、手机等电子产品中都有，应用较多。它的主要作用就是，在产品断电之后，时间还可以继续走数。这样我们在重新使用电子产品时，时间仍然正确。芯片本身可以通过纽扣电池供电，接下来我们一起学习一下RTC的驱动。
此次，RTC用到的主芯片为DS1302，优点为控制简单，接下来我们一起了解一下芯片的特性以及控制。
一、芯片特征
在官方文档中，给出了以下重要特点描述：
1、实时时钟系统可以计数时、分、秒、日、月、星期、区分闰年平年的年份等，最多支持2100年。
2、有31*8bit的存储容量的RAM。
3、实时时钟系统或者RAM的读写，可以单字节或者多字节（突发模式）进行数据传输。
在芯片计时过程中，可以准确的计出时分秒等，还有每个月各有多少天。有30、31、28、29天的区分，年份有闰年平年的区分。小时有12小时制和24小时制。有AM和PM的区分。
芯片的控制是通过CE、I/O（data line）和SCLK。数据线可以一次传输1字节或者31字节。
二、端口
图中的MCU在此时是指的我们的FPGA，那么，FPGA与芯片进行数据交互时，是通过三个串行线进行的，并且I/O为双端口类型。芯片的端口中，除了三个主控端口（CE、I/O、SCLK）外，还有X1和X2。
这两个端口为晶振接口，芯片需要一个外挂晶振来提供时钟，以便用来计时。VCC1和VCC2为两路电源，其中VCC2为板卡提供的电源，VCC1为纽扣电池供电。供电关系会在下面的管脚说明里面进行讲解。
GND为电源地。
三、管脚说明
四、命令格式
下图展示了命令字节，一个命令字节由数据的发送者决定。最高位必须为1，如果是0，将禁止向芯片写数据。bit6如果是0将与实时时钟系统通信，如果是1将与RAM通信。bit1到bit5为寄存器地址；bit0如果为0为写操作，1为读操作。
五、读写控制
首先是写操作，在8个SCLK时钟周期内，主机发送一个写命令字节，数据输入在接下来的8个SCLK时钟的上升沿，数据开始为bit0，也就是说，数据在发送时，从低位开始发送。
数据读操作，在8个SCLK时钟周期内，主机发送一个读命令，数据输出在接下来的8个SCLK时钟下降沿。第一个数据bit出现在命令字节最后一个bit被写入之后的第一个下降沿。通常数据传输需要在CE为高时。读数据时，也是从低位开始。
六、接口协议
基于芯片的读写方式，我们可以使用SPI协议进行数据读写，那么接下来我们介绍一下SPI协议。
SPI协议有四种模式，如下图：
SPI的四种模式是按照其时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）共同决定的，CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为低电平，因此有效状态为高电平。CPHA=0，即表示在时钟的第一个岩信号进行采样。CPOL和CPHA共有四种组合，固有四种通信模式。
SPI为主从模式，在通信线上，需要4通信线：
CS – 从设备使能信号，由主设备控制
SCL – 时钟信号，由主设备产生
MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出
MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入
但是，一般为了节省资源，会使用3跟通信线，分别为CE、SCL、SDA。其中SDA为双端口。数据的输出和输入都使用这条线。
在我们的DS1302时序图中，读写时序跟SPI的第一种模式一样，所以我们在写代码的时候可以使用SPI协议去写。
接下来我们开始新建工程写代码。
新建文件，按照写时序，通过线性序列机写出写模块。
代码如下：
1 module rtc_wr( 2 3 input wire clk, 4 input wire rst_n, 5 6 input wire wr_en, 7 input wire [7:0] wr_addr, 8 input wire [7:0] wr_data, 9 10 output wire wr_done, 11 output reg wr_scl, 12 output reg wr_sda, 13 output reg wr_ce 14 ); 15 16 parameter f_clk = 50_000_000; 17 parameter f = 100_000; 18 parameter t = f_clk / f / 2; 19 20 reg [13:0] cnt; 21 22 always @ (posedge clk, negedge rst_n) 23 begin 24 if(rst_n == 1'b0) 25 cnt <= 14'd0; 26 else if(wr_en) 27 begin 28 if(cnt == 33 * t - 1) 29 cnt <= 14'd0; 30 else 31 cnt <= cnt + 1'b1; 32 end 33 else 34 cnt <= 14'd0; 35 end 36 37 always @ (posedge clk, negedge rst_n) 38 begin 39 if(rst_n == 1'b0) 40 begin 41 wr_scl <= 1'b0; 42 wr_sda <= 1'b0; 43 wr_ce <= 1'b0; 44 end 45 else if(wr_en) 46 case(cnt) 47 0 : begin wr_ce <= 1'b1; wr_sda <= wr_addr[0]; end 48 1 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 49 2 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[1]; end 50 3 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 51 4 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[2]; end 52 5 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 53 6 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[3]; end 54 7 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 55 8 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[4]; end 56 9 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 57 10* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[5]; end 58 11* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 59 12* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[6]; end 60 13* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 61 14* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[7]; end 62 15* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 63 16* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[0]; end 64 17* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 65 18* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[1]; end 66 19* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 67 20* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[2]; end 68 21* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 69 22* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[3]; end 70 23* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 71 24* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[4]; end 72 25* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 73 26* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[5]; end 74 27* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 75 28* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[6]; end 76 29* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 77 30* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[7]; end 78 31* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end 79 32* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_ce <= 1'b0; end 80 default : ; 81 endcase 82 end 83 84 assign wr_done = (cnt == 33 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0; 85 86 endmodule
同样的方式，新建文件读模块以及控制模块，代码如下：
1 module rtc_rd( 2 3 input wire clk, 4 input wire rst_n, 5 6 input wire rd_en, 7 input wire [7:0] rd_addr, 8 input wire SDA, 9 10 output wire rd_done, 11 output reg [7:0] rd_data, 12 output reg rd_sda, 13 output reg rd_scl, 14 output reg rd_ce, 15 output reg o_en 16 ); 17 18 parameter f_clk = 50_000_000; 19 parameter f = 100_000; 20 parameter t = f_clk / f / 2; 21 22 reg [13:0] cnt; 23 24 always @ (posedge clk, negedge rst_n) 25 begin 26 if(rst_n == 1'b0) 27 cnt <= 14'd0; 28 else if(rd_en) 29 begin 30 if(cnt == 33 * t - 1) 31 cnt <= 14'd0; 32 else 33 cnt <= cnt + 1'b1; 34 end 35 else 36 cnt <= 14'd0; 37 end 38 39 always @ (posedge clk, negedge rst_n) 40 begin 41 if(rst_n == 1'b0) 42 begin 43 rd_data <= 8'd0; 44 rd_scl <= 1'b0; 45 rd_sda <= 1'b0; 46 rd_ce <= 1'b0; 47 o_en <= 1'b1; 48 end 49 else if(rd_en) 50 case(cnt) 51 0 : begin rd_ce <= 1'b1; rd_sda <= rd_addr[0]; o_en <= 1'b1;end 52 1 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 53 2 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[1]; end 54 3 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 55 4 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[2]; end 56 5 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 57 6 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[3]; end 58 7 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 59 8 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[4]; end 60 9 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 61 10* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[5]; end 62 11* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 63 12* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[6]; end 64 13* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 65 14* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[7]; end 66 15* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end 67 16* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; o_en <= 1'b0; end 68 17* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[0] <= SDA; end 69 18* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 70 19* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[1] <= SDA; end 71 20* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 72 21* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[2] <= SDA; end 73 22* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 74 23* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[3] <= SDA; end 75 24* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 76 25* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[4] <= SDA; end 77 26* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 78 27* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[5] <= SDA; end 79 28* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 80 29* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[6] <= SDA; end 81 30* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end 82 31* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[7] <= SDA; end 83 32* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_ce <= 1'b0; o_en <= 1'b1; end 84 default : ; 85 endcase 86 end 87 88 assign rd_done = (cnt == 33 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0; 89 90 endmodule
在读写模块中，按照框架设计，计数器必须在使能有效的条件下进行，所以，在写计数器时，必须判断使能信号。
控制模块如下：
1 module rtc_ctrl(
2
3 input wire clk,
4 input wire rst_n,
5
6 //wr
7 input wire wr_done,
8 input wire wr_scl,
9 input wire wr_sda,
10 input wire wr_ce,
11 output reg wr_en,
12 output reg [7:0] wr_addr,
13 output reg [7:0] wr_data,
14
15 //rd
16 input wire rd_done,
17 input wire rd_scl,
18 input wire rd_sda,
19 input wire rd_ce,
20 input wire [7:0] rd_data,
21 output reg rd_en,
22 output reg [7:0] rd_addr,
23
24 output reg SCL,
25 output reg SDA,
26 output reg CE,
27 output reg [7:0] s,
28 output reg [7:0] m,
29 output reg [7:0] h
30 );
31
32 parameter t = 1_000_000;
33
34 reg [19:0] cnt;
35 reg [2:0] state;
36
37 always @ (posedge clk, negedge rst_n)
38 begin
39 if(rst_n == 1'b0)
40 begin
41 wr_en <= 1'b0;
42 wr_addr <= 8'd0;
43 wr_data <= 8'd0;
44 rd_en <= 1'b0;
45 rd_addr <= 8'd0;
46 SCL <= 1'b0;
47 SDA <= 1'b0;
48 CE <= 1'b0;
49 s <= 8'd0;
50 m <= 8'd0;
51 h <= 8'd0;
52 cnt <= 20'd0;
53 state <= 3'd0;
54 end
55 else
56 case(state)
57 3'd0 : begin
58 if(wr_done)
59 state <= 3'd1;
60 else
61 begin
62 SCL <= wr_scl;
63 SDA <= wr_sda;
64 CE <= wr_ce;
65 wr_addr <= 8'h80;
66 wr_data <= 8'h30;
67 wr_en <= 1'b1;
68 end
69 end
70 3'd1 : begin
71 if(wr_done)
72 state <= 3'd2;
73 else
74 begin
75 SCL <= wr_scl;
76 SDA <= wr_sda;
77 CE <= wr_ce;
78 wr_addr <= 8'h82;
79 wr_data <= 8'h12;
80 wr_en <= 1'b1;
81 end
82 end
83 3'd2 : begin
84 if(wr_done)
85 begin
86 state <= 3'd3;
87 wr_en <= 1'b0;
88 end
89 else
90 begin
91 SCL <= wr_scl;
92 SDA <= wr_sda;
93 CE <= wr_ce;
94 wr_addr <= 8'h84;
95 wr_data <= 8'h23;
96 wr_en <= 1'b1;
97 end
98 end
99 3'd3 : begin
100 if(rd_done)
101 begin
102 state <= 3'd4;
103 s <= {1'b0,rd_data[6:0]};
104 end
105 else
106 begin
107 SCL <= rd_scl;
108 SDA <= rd_sda;
109 CE <= rd_ce;
110 rd_addr <= 8'h81;
111 rd_en <= 1'b1;
112 state <= 3'd3;
113 end
114 end
115 3'd4 : begin
116 if(rd_done)
117 begin
118 state <= 3'd5;
119 m <= rd_data;
120 end
121 else
122 begin
123 SCL <= rd_scl;
124 SDA <= rd_sda;
125 CE <= rd_ce;
126 rd_addr <= 8'h83;
127 rd_en <= 1'b1;
128 state <= 3'd4;
129 end
130 end
131 3'd5 : begin
132 if(rd_done)
133 begin
134 state <= 3'd6;
135 h <= rd_data;
136 rd_en <= 1'b0;
137 end
138 else
139 begin
140 SCL <= rd_scl;
141 SDA <= rd_sda;
142 CE <= rd_ce;
143 rd_addr <= 8'h85;
144 rd_en <= 1'b1;
145 state <= 3'd5;
146 end
147 end
148 3'd6 : begin
149 if(cnt == t - 1)
150 begin
151 state <= 3'd3;
152 cnt <= 20'd0;
153 end
154 else
155 begin
156 state <= 3'd6;
157 cnt <= cnt + 1'b1;
158 end
159 end
160 endcase
161 end
162
163 endmodule
在控制模块中，我们前三个状态要把时间的初值写进芯片，比如我们写入时分秒，那么我们需要按照手册给出相应的命令。
在这里我们需要解释一下小时的数据格式。BIT7如果为0代表使用的是24小时制，如果为1代表使用的是12小时制。BIT6恒为0。BIT5，如果是12小时制，0代表上午，1代表下午，如果是24小时制，BIT5和BIT4共同组成了小时的十位。BIT3到BIT0为小时的个位。
顶层模块代码如下：
1 module RTC( //real time clock 2 3 input wire clk, 4 input wire rst_n, 5 6 output wire SCL, 7 inout wire SDA, 8 output wire CE, 9 10 output wire [5:0] sel, 11 output wire [7:0] seg 12 ); 13 14 wire wr_en; 15 wire [7:0] wr_addr; 16 wire [7:0] wr_data; 17 wire wr_done; 18 wire wr_scl; 19 wire wr_sda; 20 wire wr_ce; 21 wire rd_en; 22 wire [7:0] rd_addr; 23 wire rd_done; 24 wire [7:0] rd_data; 25 wire rd_sda; 26 wire rd_scl; 27 wire rd_ce; 28 wire o_en; 29 wire o_buf; 30 wire [7:0] s; 31 wire [7:0] m; 32 wire [7:0] h; 33 34 rtc_wr rtc_wr_inst( 35 36 .clk (clk), 37 .rst_n (rst_n), 38 39 .wr_en (wr_en), 40 .wr_addr (wr_addr), 41 .wr_data (wr_data), 42 43 .wr_done (wr_done), 44 .wr_scl (wr_scl), 45 .wr_sda (wr_sda), 46 .wr_ce (wr_ce) 47 ); 48 49 rtc_rd rtc_rd_inst( 50 51 .clk (clk), 52 .rst_n (rst_n), 53 54 .rd_en (rd_en), 55 .rd_addr (rd_addr), 56 .SDA (SDA), 57 58 .rd_done (rd_done), 59 .rd_data (rd_data), 60 .rd_sda (rd_sda), 61 .rd_scl (rd_scl), 62 .rd_ce (rd_ce), 63 .o_en (o_en) 64 ); 65 66 rtc_ctrl rtc_ctrl_inst( 67 68 .clk (clk), 69 .rst_n (rst_n), 70 71 //wr 72 .wr_done (wr_done), 73 .wr_scl (wr_scl), 74 .wr_sda (wr_sda), 75 .wr_ce (wr_ce), 76 .wr_en (wr_en), 77 .wr_addr (wr_addr), 78 .wr_data (wr_data), 79 80 //rd 81 .rd_done (rd_done), 82 .rd_scl (rd_scl), 83 .rd_sda (rd_sda), 84 .rd_ce (rd_ce), 85 .rd_data (rd_data), 86 .rd_en (rd_en), 87 .rd_addr (rd_addr), 88 89 .SCL (SCL), 90 .SDA (o_buf), 91 .CE (CE), 92 .s (s), //数码管数据 93 .m (m), 94 .h (h) 95 ); 96 97 assign SDA = (o_en) ? o_buf : 1'hz; 98 99 seven_tube_driver seven_tube_driver_inst( 100 101 .clk (clk), 102 .rst_n (rst_n), 103 .s (s), 104 .m (m), 105 .h (h), 106 107 .sel (sel), 108 .seg (seg) 109 ); 110 111 endmodule
在这里需要大家注意的是三态门的编写。
作为输入时，将数据线置为高祖态。
仿真代码如下：
1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module rtc_tb; 4 5 reg clk; 6 reg rst_n; 7 8 wire SCL; 9 wire SDA; 10 wire CE; 11 12 wire [5:0] sel; 13 wire [7:0] seg; 14 15 initial begin 16 clk = 0; 17 rst_n = 0; 18 #105; 19 rst_n = 1; 20 #100000; 21 $stop; 22 end 23 24 always #10 clk = ~clk; 25 26 RTC RTC_inst( //real time clock 27 28 .clk (clk), 29 .rst_n (rst_n), 30 31 .SCL (SCL), 32 .SDA (SDA), 33 .CE (CE), 34 35 .sel (sel), 36 .seg (seg) 37 ); 38 39 endmodule
仿真图如下：
前三个状态，分别写入了时分秒等数据，3 4 5三个状态分别是读时分秒的状态，最后一个状态是做的延时，在一秒时间内，读出的数据是没有变化的，因此我们可以减少读操作的频率来降低工作频率。在rd_done信号拉高时，可以看到时分秒都有数据被赋值，及读出正常。
审核编辑：汤梓红
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