详解IIC通信协议以及FPGA实现

IIC_0">一、IIC简介

IIC也称为I2C（Inter-Integrated Circuit）由飞利浦公司（现在的恩智浦半导体）开发，是一种用于短距离数字通信的串行，同步，半双工通信接口协议；传输在标准模式下可以达到100kbit/s，在快速模式下可以达到400Kbit/s，在快速模式增强模式下可以达到1Mbit/s，在高速模式下可以达到3.4Mbit/s。

I2C通信协议使用两根线（串行数据线SDA和串行时钟线SCL）进行通信，其中SDA用于传输数据，SCL用于传输时钟信号；支持多主设备和多从设备的通信，通过地址来识别不同的设备，并支持数据的读取和写入操作。

I2C通信协议在很多嵌入式系统和电子设备中被广泛应用，例如传感器、存储器、显示屏等设备之间的通信；由于其简单的硬件连接和灵活的设备支持，I2C通信协议在许多应用中都具有很好的适用性，通信框图如下：

在这里插入图片描述

IIC_10">二、IIC通信协议

由于挂在I2C总线上的设备可以有多个，因此每个挂在I2C总线的设备都有唯一的地址来标识。有些 I2C 器件的器件地址是固定的，而有些 I2C 器件的器件地址由一个固定部分和一个可编程的部分构成，这是因为很可能在一个系统中有几个同样的器件，器件地址的可编程部分能最大数量的使这些器件连接到 I2C 总线上。

2.1 协议层

I2C整体的时序如下图所示：
在这里插入图片描述

空闲状态：在I2C空闲时因为串行时钟线 SCL 和串行数据线SDA 线都接有上拉电阻而处于高电平状态。
起始信号：传输开始前，主机设备会将SDA拉低（当总线空闲时，SDA 和 SCL 都处于高电平状态），然后所有从机设备就会知道传输即将开始。如果两个 master 设备在同一时刻都希望获得总线的所有权，那么谁先将 SDA 拉低，谁就赢得了总线的控制权。
传输状态：主机可以向从机写数据或者读数据。
停止信号：当数据传输完成，主机在SCL为高电平时，拉高SDA线就表示本次传输完成。

为了保证传输过程稳定，I2C总线协议规定：每次传输数据必须为一个字节（即8bit，高位在前）；在串行时钟线 SCL 为低电平状态时，SDA 允许改变传输的数据位（1 为高电平，0 为低电平）。经过 8 个时钟周期后，传输了 8bit 数据，即一个字节。第 8 个时钟周期末，主机释放 SDA 以使从机应答，在第 9 个时钟周期，从机将 SDA 拉低以应答；如果第 9 个时钟周期，SCL 为高电平时，SDA 未被检测到为低电平，视为非应答，表明此次数据传输失败。第 9 个时钟周期末，从机释放 SDA 以使主机继续传输数据，如果主机发送停止信号，此次传输结束。

2.2 器件地址

地址帧总是在一次通信的最开始出现。一个 7bit 的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟 1bit 的操作符，(1 表示读操作，0 表示写操作) 。地址格式如下所示：

在这里插入图片描述

2.3 写时序

主机发送完器件地址加上写命令0，从机正确应答后就处于接收数据的状态；此时，主机向器件发送要写数据的起始地址，从机正确应答后，就开始向该地址写数据了，写时序如下：

在这里插入图片描述
单字节数据写入完成，主机接收到应答信号后，向从机发送停止信号，字节写完成。

2.4 读时序

主机发送完器件地址加上读命令1，从机正确应答后就处于发送数据的状态；此时从机向主机发送单字节数据，读时序如下：

在这里插入图片描述

三、FPGA实现

本次实现使用I2C协议对EEPROM进行读写操作，在EEPROM的地址0到255，写入0到255的累加数，然后再按照顺序读出来，并使用ILA连续捕获出来看数据是否正确

3.1 结构框图

在这里插入图片描述
系统整体流程就是，I2C_ctrl模块负责把要读写的地址和写数据给I2C_interface，I2C_interface模块负责实现I2C协议部分，然后把读出的数据给上游。

I2C_interface_49">3.2 详解I2C_interface模块

3.2.1 接口部分

例化接口代码：

module I2C_interface #
(parameter                                           SYS_CLK_FREQ    = 'd50_000_000,         //系统时钟频率parameter                                           I2C_CLK         = 'd100_000,            //I2C输出时钟parameter                                           SLAVE_ADDR      = 7'b1010000            //从机地址
)
(input                                               sys_clk ,input                                               rst_n   ,input                                               i2c_start   ,			//I2C开始信号input                                               i2c_byte_addr_ctrl  ,   //为1时表示要写入的内存地址是16位的，1表示8位input           [15:0]                              i2c_byte_addr   ,		//写入从机内存地址input                                               i2c_wr_rd_en    ,		//读写使能，0表示写，1表示读input           [7:0]                               i2c_wr_data ,			//写入从机的数据output  reg     [ 7:0]                              i2c_rd_data  ,  		//从从机读出的数据output  reg                                         i2c_rd_data_valid,		//读数据有效信号output  reg                                         i2c_done    ,  			//本次I2C操作完成信号output  reg                                         i2c_ack , 				//从机给的ack信号output  reg                                         scl ,  					//IIC协议的SCLinout                                               sda  ,					//IIC协议的SDAoutput  reg                                         i2c_drive_clk  			//却驱动I2C模块的驱动时钟);

3.2.2 定义状态机

使用状态机来实现I2C协议，整个状态机跳转流程图如下：
在这里插入图片描述
代码如下：

	localparam                                          Idle                      = 8'b0000_0001; //空闲状态localparam                                          Write_slave_addr_state    = 8'b0000_0010; //发送从机器件地址写状态localparam                                          Write_byte_addr16_state   = 8'b0000_0100; //发送16位内存地址状态localparam                                          Write_byte_addr8_state    = 8'b0000_1000; //发送8位内存地址状态localparam                                          Write_data_state          = 8'b0001_0000; //写数据(8 bit)状态localparam                                          Write_rd_addr_state       = 8'b0010_0000; //发送器件地址读状态localparam                                          Read_data_state           = 8'b0100_0000; //读数据(8 bit)状态localparam                                          Stop                      = 8'b1000_0000; //结束I2C操作

I2C_98">3.2.3 实现I2C模块的驱动时钟部分

使用实际IIC通信的四倍频时钟来驱动整个模块，至于为什么是四倍频，下面会讲到

localparam                                          clk_div_cnt_max           = SYS_CLK_FREQ/I2C_CLK/4;//I2C四倍频时钟计数最大值
reg             [14:0]                              clk_cnt ;               //分频时钟需要的计数器//生成SCL的四倍频时钟
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) beginif(rst_n == 1'b0)begini2c_drive_clk <= 1'b0;clk_cnt <= 'd0;endelse if(clk_cnt == clk_div_cnt_max[14:1] - 1)begini2c_drive_clk <= ~i2c_drive_clk;clk_cnt <= 'd0;endelse begini2c_drive_clk <= i2c_drive_clk;clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;end
end

3.2.4 实现控制SDA方向部分

reg                                                 sda_ctrl    ;           //控制sda方向，1的时候sda为输出；0的时候sda为输入
reg                                                 sda_out ;               //sda输出信号
wire                                                sda_in  ;				//sda输入信号//控制SDA
assign  sda             = sda_ctrl ? sda_out : 1'bz;
assign  sda_in          = sda;

I2C_133">3.2.5 实现I2C协议的三段式状态机

3.2.5.1 三段式状态机第一段

reg             [7:0]                               cur_state   = Idle;     //状态机当前状态
reg             [7:0]                               next_state  = Idle;     //状态机下一状态//三段式第一段，时序电路描述状态转移
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) beginif(rst_n == 1'b0)cur_state <= Idle;elsecur_state <= next_state;
end

3.2.5.2 三段式状态机第二段

reg                                                 state_done   ;          //状态机跳转信号//三段式第二段，组合逻辑描述状态转移条件
always @(*) begincase (cur_state)Idle: beginif(i2c_start == 1'b1)begin							//如果i2c_start 来临时，就跳入到发送从机地址状态next_state = Write_slave_addr_state;endelse beginnext_state = Idle;endendWrite_slave_addr_state:begin							//如果从机地址写完成，判断写入的内存地址是16位还是8位if(state_done == 1'b1)beginif(i2c_byte_addr_ctrl == 1'b1)beginnext_state = Write_byte_addr16_state;endelse beginnext_state = Write_byte_addr8_state;endendelse beginnext_state = Write_slave_addr_state;endendWrite_byte_addr16_state:begin							//写完内存地址的高8位后，跳转到写低8位状态if(state_done == 1'b1)beginnext_state = Write_byte_addr8_state;endelse beginnext_state = Write_byte_addr16_state;endendWrite_byte_addr8_state:begin							//内存地址低8位写完后，判断是读还是写操作if(state_done == 1'b1)begin	if(wr_rd_flag == 1'b1)next_state = Write_rd_addr_state;elsenext_state = Write_data_state;endelse next_state = Write_byte_addr8_state;endWrite_data_state:begin									//写数据状态，写完成后跳转到停止状态if(state_done == 1'b1)beginnext_state = Stop;endelse beginnext_state = Write_data_state;endendWrite_rd_addr_state:begin								//由于是读操作，因此还要产生一次虚写操作，就是再发送一次7位从机地址+1 if(state_done == 1'b1)beginnext_state = Read_data_state;endelse beginnext_state = Write_rd_addr_state;endendRead_data_state:begin									//接收从机发送的数据if(state_done == 1'b1)beginnext_state = Stop;endelse beginnext_state = Read_data_state;endendStop:begin												//产生停止信号，然后跳转到空闲状态if(state_done == 1'b1)beginnext_state = Idle;endelse beginnext_state = Stop;endenddefault: next_state = Idle;endcase
end

3.2.5.3 三段式状态机第三段

由于I2C协议规定，sda上的数据需要在scl为高电平的时候保持稳定，只能在scl为低电平的时候改变。因此我们产生一个四倍频的驱动时钟再加一个四倍频时钟的计数器，就能够实现在任何位置改变数据，波形图如下：

在这里插入图片描述
从波形图可以看出，在cnt=1时scl为高电平，此时拉低sda就表示了开始信号；然后在cnt=3时，拉低scl；在cnt=4的时候给sda赋值，在cnt=5的时候，拉高scl。后面依次类推。这样就利用scl四倍频的时钟产生了scl与sda，程序如下：

reg                                                 wr_rd_flag ;            //读写信号，0的时候为写；1的时候为读   
reg             [6:0]                               clk4_cnt ;              //I2C四倍频时钟周期计数器
reg             [15:0]                              i2c_byte_addr_reg   ;   //字地址缓存
reg             [7:0]                               i2c_wr_data_reg   ;     //I2C写数据缓存
reg             [7:0]                               i2c_rd_data_temp   ;    //I2C读数据临时数据//三段式第三段，时序逻辑描述状态输出
always @(posedge i2c_drive_clk or negedge rst_n) beginif(rst_n == 1'b0)begini2c_rd_data <= 'd0;i2c_rd_data_valid <= 1'b0;i2c_done <= 1'b0;i2c_ack <= 1'b0;scl <=  1'b1;sda_ctrl <= 1'b1;       sda_out <= 1'b1;           state_done   <= 1'b0;      wr_rd_flag <= 1'b0;      clk4_cnt <= 'd0;          i2c_byte_addr_reg <= 'd0;i2c_wr_data_reg <= 'd0; i2c_rd_data_temp <= 'd0;endelse beginclk4_cnt <= clk4_cnt + 1'b1;case (cur_state)Idle: beginif(i2c_start ==1'b1)begin               //开始传输时，把读写使能，地址，数据都暂存下来wr_rd_flag <= i2c_wr_rd_en;i2c_byte_addr_reg <= i2c_byte_addr;i2c_wr_data_reg <= i2c_wr_data;clk4_cnt <= 'd0;i2c_rd_data_valid <= 1'b0;endelse beginclk4_cnt <= 'd0;scl <=  1'b1;sda_ctrl <= 1'b1;sda_out <= 1'b1; i2c_done <= 1'b0;i2c_ack <= 1'b0;i2c_rd_data_valid <= 1'b0;endendWrite_slave_addr_state:begincase (clk4_cnt)'d1:    sda_out <= 1'b0;            //SCL为高电平时，拉低SDA为起始信号'd3:    scl <= 1'b0;'d4:    sda_out <= SLAVE_ADDR[6];   //低电平时传输器件地址低6位'd5:    scl <= 1'b1;'d7:    scl <= 1'b0;'d8:    sda_out <= SLAVE_ADDR[5];   //低电平时传输器件地址低5位'd9:    scl <= 1'b1;'d11:   scl <= 1'b0;'d12:   sda_out <= SLAVE_ADDR[4];   //低电平时传输器件地址低4位'd13:   scl <= 1'b1;'d15:   scl <= 1'b0;'d16:   sda_out <= SLAVE_ADDR[3];   //低电平时传输器件地址低3位'd17:   scl <= 1'b1;'d19:   scl <= 1'b0;'d20:   sda_out <= SLAVE_ADDR[2];   //低电平时传输器件地址低2位'd21:   scl <= 1'b1;'d23:   scl <= 1'b0;'d24:   sda_out <= SLAVE_ADDR[1];   //低电平时传输器件地址低1位'd25:   scl <= 1'b1;'d27:   scl <= 1'b0;'d28:   sda_out <= SLAVE_ADDR[0];   //低电平时传输器件地址低0位'd29:   scl <= 1'b1;'d31:   scl <= 1'b0;'d32:   sda_out <= 1'b0;            //写命令'd33:   scl <= 1'b1;'d35:   scl <= 1'b0;'d36:   beginsda_out <= 1'b1;            sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 end'd37:   scl <= 1'b1;'d38:   beginstate_done <= 1'b1;if(sda_in == 1'b1)          //如果第9位sda为低电平，则表示从机应答成功,状态机跳转 i2c_ack <= 1'b0;elsei2c_ack <= 1'b1;end'd39:   beginstate_done <= 1'b0;         //拉低状态机跳转信号clk4_cnt <= 'd0;            //计数器清零scl <= 1'b0;i2c_ack <= 1'b0;enddefault: ;endcaseendWrite_byte_addr16_state:begincase (clk4_cnt)'d0 :beginsda_ctrl<= 1'b1;                        //拿回SDA控制权，并且传开始输内存地址的高8位sda_out <= i2c_byte_addr_reg[15];       end       'd1 :   scl <= 1'b1;'d3 :   scl <= 1'b0;'d4 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[14];'d5 :   scl <= 1'b1;'d7 :   scl <= 1'b0;'d8 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[13];'d9 :   scl <= 1'b1;'d11:   scl <= 1'b0; 'd12:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[12];  'd13:   scl <= 1'b1;  'd15:   scl <= 1'b0;  'd16:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[11];'d17:   scl <= 1'b1;  'd19:   scl <= 1'b0;  'd20:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[10];'d21:   scl <= 1'b1;  'd23:   scl <= 1'b0;  'd24:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[9];'d25:   scl <= 1'b1;  'd27:   scl <= 1'b0;  'd28:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[8];'d29:   scl <= 1'b1;'d31:   scl <= 1'b0; 'd32:   beginsda_out <= 1'b1;sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 end'd33:   scl <= 1'b1;'d34:   beginstate_done <= 1'b1;if(sda_in == 1'b1)i2c_ack <= 1'b0;elsei2c_ack <= 1'b1;    end'd35:  beginstate_done <= 1'b0;scl <= 1'b0;clk4_cnt <= 'd0;i2c_ack <= 1'b0;end         default: ;endcaseendWrite_byte_addr8_state:begincase (clk4_cnt)'d0 :beginsda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权,并且传开始输内存地址的低8位sda_out <= i2c_byte_addr_reg[7];end'd1 :   scl <= 1'b1;'d3 :   scl <= 1'b0;'d4 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[6];'d5 :   scl <= 1'b1;'d7 :   scl <= 1'b0;'d8 :   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[5];'d9 :   scl <= 1'b1;'d11:   scl <= 1'b0; 'd12:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[4];  'd13:   scl <= 1'b1;  'd15:   scl <= 1'b0;  'd16:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[3];'d17:   scl <= 1'b1;  'd19:   scl <= 1'b0;  'd20:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[2];'d21:   scl <= 1'b1;  'd23:   scl <= 1'b0;  'd24:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[1];'d25:   scl <= 1'b1;  'd27:   scl <= 1'b0;  'd28:   sda_out <= i2c_byte_addr_reg[0];'d29:   scl <= 1'b1;'d31:   scl <= 1'b0; 'd32:   beginsda_out <= 1'b1;sda_ctrl<= 1'b0;                //释放sda总线 end'd33:   scl <= 1'b1;'d34:   beginstate_done <= 1'b1;if(sda_in == 1'b1)i2c_ack <= 1'b0;elsei2c_ack <= 1'b1;    end'd35:  beginstate_done <= 1'b0;scl <= 1'b0;clk4_cnt <= 'd0;i2c_ack <= 1'b0;end         default: ;endcaseendWrite_data_state:begincase (clk4_cnt)'d0 :beginsda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权，并且传开始输8位写数据sda_out <= i2c_wr_data_reg[7];end'd1 :   scl <= 1'b1;'d3 :   scl <= 1'b0;'d4 :   sda_out <= i2c_wr_data_reg[6];'d5 :   scl <= 1'b1;'d7 :   scl <= 1'b0;'d8 :   sda_out <= i2c_wr_data_reg[5];'d9 :   scl <= 1'b1;'d11:   scl <= 1'b0; 'd12:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[4];  'd13:   scl <= 1'b1;  'd15:   scl <= 1'b0;  'd16:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[3];'d17:   scl <= 1'b1;  'd19:   scl <= 1'b0;  'd20:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[2];'d21:   scl <= 1'b1;  'd23:   scl <= 1'b0;  'd24:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[1];'d25:   scl <= 1'b1;  'd27:   scl <= 1'b0;  'd28:   sda_out <= i2c_wr_data_reg[0];'d29:   scl <= 1'b1;'d31:   scl <= 1'b0; 'd32:   beginsda_out <= 1'b1;sda_ctrl<= 1'b0;            //释放sda总线 end'd33:   scl <= 1'b1;'d34:   beginstate_done <= 1'b1;if(sda_in == 1'b1)i2c_ack <= 1'b0;elsei2c_ack <= 1'b1;    end'd35:  beginstate_done <= 1'b0;scl <= 1'b0;clk4_cnt <= 'd0;i2c_ack <= 1'b0;end         default: ;endcaseendWrite_rd_addr_state:begincase (clk4_cnt)'d0:begin    sda_ctrl<= 1'b1;                //拿回SDA控制权,开始传输器件地址加上读命令sda_out<= 1'b0;end'd1:    scl <= 1'b1;'d2:    sda_out<= 1'b1;             //停止信号'd4:    sda_out<= 1'b0;             //开始信号'd6:    scl <= 1'b0;'d7:    sda_out <= SLAVE_ADDR[6];'d8:    scl <= 1'b1;'d10:   scl <= 1'b0;'d11:   sda_out <= SLAVE_ADDR[5];'d12:   scl <= 1'b1;'d14:   scl <= 1'b0;'d15:   sda_out <= SLAVE_ADDR[4];'d16:   scl <= 1'b1;'d18:   scl <= 1'b0;'d19:   sda_out <= SLAVE_ADDR[3];'d20:   scl <= 1'b1;'d22:   scl <= 1'b0;'d23:   sda_out <= SLAVE_ADDR[2];'d24:   scl <= 1'b1;'d26:   scl <= 1'b0;'d27:   sda_out <= SLAVE_ADDR[1];'d28:   scl <= 1'b1;'d30:   scl <= 1'b0;'d31:   sda_out <= SLAVE_ADDR[0];'d32:   scl <= 1'b1;'d34:   scl <= 1'b0;'d35:   sda_out <= 1'b1;                //读命令'd36:   scl <= 1'b1;'d38:   scl <= 1'b0;'d39:   beginsda_out <= 1'b1;sda_ctrl<= 1'b0;                //释放sda控制权end'd40:   scl <= 1'b1;'d41:   beginstate_done <= 1'b1;if(sda_in == 1'b1)i2c_ack <= 1'b0;elsei2c_ack <= 1'b1;end'd42:   beginstate_done <= 1'b0;clk4_cnt <= 'd0;scl <= 1'b0;i2c_ack <= 1'b0;end     default: ;endcaseendRead_data_state:begincase (clk4_cnt)'d1:    scl <= 1'b1;'d2:    i2c_rd_data_temp[7] <= sda_in;'d3:    scl <= 1'b0;'d5:    scl <= 1'b1;'d6:    i2c_rd_data_temp[6] <= sda_in;'d7:    scl <= 1'b0;'d9:    scl <= 1'b1;'d10:   i2c_rd_data_temp[5] <= sda_in;'d11:   scl <= 1'b0;'d13:   scl <= 1'b1;'d14:   i2c_rd_data_temp[4] <= sda_in;'d15:   scl <= 1'b0;'d17:   scl <= 1'b1;'d18:   i2c_rd_data_temp[3] <= sda_in;'d19:   scl <= 1'b0;'d21:   scl <= 1'b1;'d22:   i2c_rd_data_temp[2] <= sda_in;'d23:   scl <= 1'b0;'d25:   scl <= 1'b1;'d26:   i2c_rd_data_temp[1] <= sda_in;'d27:   scl <= 1'b0;'d29:   scl <= 1'b1;'d30:   i2c_rd_data_temp[0] <= sda_in;'d31:   scl <= 1'b0;'d32:   beginsda_ctrl<= 1'b1;sda_out <= 1'b1;end'd33:   scl <= 1'b1;'d34:   state_done <= 1'b1;'d35:   beginstate_done <= 0;scl <= 1'b0;clk4_cnt <= 'd0;i2c_rd_data <= i2c_rd_data_temp;i2c_rd_data_valid <= 1'b1;enddefault: ;endcaseendStop:begincase (clk4_cnt)'d0:    beginsda_ctrl<= 1'b1;sda_out <= 1'b0;end'd1:    scl <= 1'b1;            //在scl为高电平时候，拉高sda代表停止信号'd3:    sda_out <= 1'b1;'d10:   state_done <= 1'b1;'d11:   beginclk4_cnt <= 'd0;i2c_done <= 1'b1;state_done <= 1'b0;enddefault: ;endcaseenddefault: ;endcaseend
endendmodule

I2C_ctrl_619">3.3 详解I2C_ctrl模块

该模块主要产生要读和要写的数据和地址，本次想要在EEPROM的0-255地址写入0-255的数字。因为本次板卡上的EEPROM手册要求每次操作完一次后，需要等待500ms，因此本模块也是有状态机完成，每次跳转等待500ms，知道读写完256个数字，代码如下：

`timescale 1ns/1ns
module I2C_ctrl
(input                                               clk ,input                                               rst_n   ,output  reg                                         i2c_wr_rd_en   , //I2C读写控制信号output  reg                                         i2c_start    , //I2C触发执行信号output  reg     [15:0]                              i2c_byte_addr    , //I2C器件内地址output  reg     [ 7:0]                              i2c_wr_data  , //I2C要写的数据input           [ 7:0]                              i2c_rd_data  , //I2C读出的数据input                                               i2c_done    , //I2C一次操作完成input                                               i2c_ack,          //I2C应答标志output  reg     [3:0]                               led 
);localparam                                          delay_cnt_max   = 200000;reg             [25:0]                              delay_cnt   ;reg             [3:0]                               state   ;reg                                                 rw_done ;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(rst_n == 1'b0)beginstate <= 'd0;delay_cnt <= 'd0;i2c_start <= 1'b0;   i2c_byte_addr <= 'd0;   i2c_wr_rd_en <= 1'b0 ;    i2c_wr_data <='d0; rw_done <= 1'b0;led <= 4'b1111;endelse begini2c_start <= 1'b0;rw_done <= 1'b0;case (state)0: begindelay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begindelay_cnt <= 'd0;if(i2c_byte_addr == 255)begini2c_byte_addr <= 'd0;i2c_wr_rd_en <= 1'b1;state <= 2;endelse beginstate <= 1;i2c_start <= 1'b1;   endendelse beginstate <= 'd0;endend1:beginif(i2c_done == 1'b1)beginstate <= 0;i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr + 1'b1;i2c_wr_data <= i2c_wr_data + 1'b1;endelsestate <= 'd1;end2: begini2c_start <= 1'b1; state <= 3;end3:begindelay_cnt <= delay_cnt + 1'b1;if(delay_cnt == delay_cnt_max -1)begindelay_cnt <= 'd0;if(i2c_byte_addr == 255)beginrw_done <= 1'b1;led<= 4'b0000;state <= 0;endelse beginstate <= 2;i2c_byte_addr <= i2c_byte_addr +1'b1;endendelse beginstate <= 'd3;endenddefault: ;endcaseend
endendmodule

3.4 仿真测试

顶层接口就如同系统框图所示，只有sys_clk，rst_n，以及scl，sda。因此tb文件只需要写入一个时钟和复位即可，然后打开仿真，由于每次操作延时了500ms，可以在仿真的时候修改sys_clk的值来加快仿真，打开仿真如下所示：

在这里插入图片描述我们可以看到，每次请求iic传输时，给的地址和数据都是累加的，我们放大局部来看具体细节：

在这里插入图片描述
当收到i2c_start信号的时候，首先传输开始信号，然后传输设备地址，本次EEPROM地址为1010000，然后跟上写操作0，第九位释放总线，判断ack。其它的同理。

3.5 上板验证

我们添加ila然后打开capture mode抓取信号，观察读出来的数据是否连续，关于capture mode怎么使用，请看《Vivado ILA Capture Control 模式与 Advanced Trigger的功能使用以及TSM（触发状态机）的编写》这篇文章，下载bit文件后，打开ila窗口，设置捕捉信号为，rd_data_valid上升沿，观察波形如下：

在这里插入图片描述
我们可以看到，读出来的数据是0-255循环累加的数，验证成功。