黑金AX301开发板I2C通信详解

前言：

最近无聊在用OpenCores寻找IP核练习的时候正好想起黑金AX301开发板中的I2Cdemo用到了OpenCores上的一个I2C的核，所以为了以后好对I2C开发，对这个核进行了一点研究。

背景：

项目地址： https://download.csdn.net/download/a792544191/12800269
介绍:文件夹中包含两个I2C项目
（1）文件夹名：I2C
对黑金的I2C demo进行了一定的删减，去掉了按键部分的触发以及数码管显示，改用在testbench中的addone信号进行一个激励。由于自己写的testbench中没有对I2C器件进行一个仿真，所以本项目中一直处于写失败的状态，所以没有读状态的信号仿真。
（2）文件夹名：i2c_eeprom_test
黑金原厂的I2C demo，未进行任何的删改，由于黑金提供的文件中包含了对I2C器件的仿真，因此可以进行一次完整的I2C仿真。

使用说明：

可以使用文件夹（说明文件）中的过程分析与图片配合本博客进行学习。详细仿真结果可以打开文件夹（I2C）或文件夹（i2c_eeprom_test）内的modelsim文件夹，然后用Modelsim打开其中的i2c_wlf。同时如果是I2C文件夹，则打开wave.do，如果是i2c_eeprom_test文件夹则打开wave1.do，即可看到仿真结果。

过程解析：

项目文件夹中有一个说明文件，里面的说明更易于查看。
（1）文件夹名：I2C
定时3ms以后，i2c_test进入S_READ状态，i2c_read_req <= 1’b1;i2c_slave_dev_addr <= 8’ha0;i2c_slave_reg_addr <= 16’d0;
然后i2c_top接收i2c_read_req信号，进入S_RD_DEV_ADDR0状态，start和write信号都变为1，txr <= {i2c_slave_dev_addr[7:1],1’b0}。
然后i2c_master_byte_ctrl接收start信号，c_state变为ST_START，core_cmd <= #1 I2C_CMD_START，ld置为1（把dcnt定义为7），之后等待i2c_master_bit_ctrl返回信号。
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_START，c_state进入start_a，b，c，d，e，然后返回cmd_ack为1
然后i2c_master_byte_ctrl接收到cmd_ack为1，由于write信号，c_state <= #1 ST_WRITE;core_cmd <= #1 I2C_CMD_WRITE; shift为1，sr移位，为下一次数据传输做准备
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_WRITE，c_state进入write_a，b，c，d，然后返回cmd_ack为1，从而传输完成1bit的数据
然后循环8次，把1byte的数据传输完成。(cnt_done降到0)
然后i2c_master_byte_ctrl进入ST_ACK,stop信号还未到来，c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP; cmd_ack <= #1 1’b1;由于本例没有仿真I2C器件对控制器命令的回复，所以ack_out <= #1 core_rxd时，core_txd为1，所以ack_out为1。
然后i2c_top由于ack_out为1，所以等于I2C器件没有回应控制器的命令，即写失败，所以next_state <= S_WR_ERR_NACK;，所以之后next_state <= S_WR_STOP，所以stop信号变为1.
然后i2c_master_byte_ctrl由于stop信号变为1，所以c_state <= #1 ST_STOP，core_cmd <= #1 I2C_CMD_STOP;
然后i2c_master_bit_ctrl由于core_cmd，c_state <= #1 stop_a;，然后最后cmd_ack变为1表示成功。
然后i2c_master_byte_ctrl接收到bit文件的cmd_ack信号，然后c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP;同时cmd_ack <= #1 1’b1，所以会出现两个十分相近的cmd_ack信号。
然后i2c_top由于接收到了byte的cmd_ack信号，所以next_state <= S_WR_ACK; 然后next_state <= S_WAIT;然后next_state <= S_IDLE;
然后i2c_test由于没有收到i2c_read_req_ack信号，所以i2c_read_req信号一直为1，所以之后不断重复这段代码。
（2）文件夹名：i2c_eeprom_test
定时3ms以后，i2c_test进入S_READ状态，i2c_read_req <= 1’b1;i2c_slave_dev_addr <= 8’ha0;i2c_slave_reg_addr <= 16’d0;
然后i2c_top接收i2c_read_req信号，进入S_RD_DEV_ADDR0状态，start和write信号都变为1，txr <= {i2c_slave_dev_addr[7:1],1’b0}。
然后i2c_master_byte_ctrl接收start信号，c_state变为ST_START，core_cmd <= #1 I2C_CMD_START，ld置为1（把dcnt定义为7），之后等待i2c_master_bit_ctrl返回信号。
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_START，c_state进入start_a，b，c，d，e，然后返回cmd_ack为1
然后i2c_master_byte_ctrl接收到cmd_ack为1，由于write信号，c_state <= #1 ST_WRITE;core_cmd <= #1 I2C_CMD_WRITE; shift为1，sr移位，为下一次数据传输做准备
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_WRITE，c_state进入write_a，b，c，d，然后返回cmd_ack为1，从而传输完成1bit的数据
然后循环8次，把1byte的数据传输完成。(cnt_done降到0)
然后i2c_master_byte_ctrl进入ST_ACK,stop信号还未到来，c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP; cmd_ack <= #1 1’b1;（写控制字）
然后i2c_master_top由于done=1，irxack=0，所以进入S_RD_REG_ADDR状态，把寄存器地址给txr以及给write信号。
然后i2c_master_byte_ctrl通过write信号，进入ST_WRITE状态，c_state <= #1 ST_WRITE;core_cmd <= #1 I2C_CMD_WRITE; shift为1，sr移位，为下一次数据传输做准备
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_WRITE，c_state进入write_a，b，c，d，然后返回cmd_ack为1，从而传输完成1bit的数据
然后循环8次，把1byte的数据传输完成。(cnt_done降到0)
然后i2c_master_byte_ctrl进入ST_ACK,stop信号还未到来，c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP; cmd_ack <= #1 1’b1;（写寄存器地址）
然后i2c_master_top由于done=1，所以进入S_RD_DEV_ADDR1状态，重新给start信号，重新给控制字，txr <= {i2c_slave_dev_addr[7:1],1’b1};以及给write信号。
然后i2c_master_byte_ctrl接收start信号，c_state变为ST_START，core_cmd <= #1 I2C_CMD_START，ld置为1（把dcnt定义为7），之后等待i2c_master_bit_ctrl返回信号。
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_START，c_state进入start_a，b，c，d，e，然后返回cmd_ack为1
然后i2c_master_byte_ctrl接收到cmd_ack为1，由于write信号，c_state <= #1 ST_WRITE;core_cmd <= #1 I2C_CMD_WRITE; shift为1，sr移位，为下一次数据传输做准备
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_WRITE，c_state进入write_a，b，c，d，然后返回cmd_ack为1，从而传输完成1bit的数据
然后循环8次，把1byte的数据传输完成。(cnt_done降到0)
然后i2c_master_byte_ctrl进入ST_ACK,stop信号还未到来，c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP; cmd_ack <= #1 1’b1;（读数据）
然后i2c_master_top由于done=1，所以进入S_RD_DATA状态，给read信号。
然后i2c_master_byte_ctrl接收read信号，c_state变为ST_READ，c_state <= #1 ST_READ;core_cmd <= #1 I2C_CMD_READ;
然后i2c_master_bit_ctrl接收到I2C_CMD_READ，c_state进入read_a，b，c，d，程序中将sda_oen定义为1，如果输入为0，则拉低sda从而收到0。最后返回cmd_ack为1，从而接收完成1bit的数据。
然后循环8次，把1byte的数据接收完成。(cnt_done降到0)
然后i2c_master_byte_ctrl进入ST_ACK,stop信号还未到来，c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 I2C_CMD_NOP; cmd_ack <= #1 1’b1;（准备结束）
然后i2c_master_top由于done=1，所以进入S_RD_DATA状态，给stop信号。
然后i2c_master_byte_ctrl接收stop信号，c_state变为ST_STOP，c_state <= #1 ST_STOP;core_cmd <= #1 I2C_CMD_STOP;
然后i2c_master_bit_ctrl由于core_cmd，c_state <= #1 stop_a;，然后最后cmd_ack变为1表示成功。
然后i2c_master_byte_ctrl接收到bit文件的cmd_ack信号，然后c_state <= #1 ST_IDLE; core_cmd <= #1 `I2C_CMD_NOP;同时cmd_ack <= #1 1’b1，所以会出现两个十分相近的cmd_ack信号。

I2C时序图：

START信号：

如图所示，scl为高时，sda由高变低。

发送或接收数据：

第一条红线开始进行I2C通信，然后每一条红线表示发送或接收一位数据，当SCL为高时，可以看sda上的数据，然后发送或接收完成之后cmd_ack信号置1。最后一条红线是ACK应答信号。

停止信号：

如图所示，当scl为高时，sda由低变高。