計(jì)：三段式狀態(tài)機(jī)與三態(tài)驅(qū)動(dòng)實(shí)踐)
1. 主模式I2C的RTL設(shè)計(jì)到底在解決什么問(wèn)題做FPGA或者ASIC的兄弟應(yīng)該都有體會(huì)I2C這個(gè)協(xié)議看起來(lái)簡(jiǎn)單——兩根線一根時(shí)鐘一根數(shù)據(jù)開(kāi)漏輸出掛載多個(gè)從設(shè)備。但真正落到RTL代碼上尤其是要做一個(gè)穩(wěn)定可靠的主模式控制器坑遠(yuǎn)比想象中多。我最早接觸I2C是在一個(gè)傳感器采集項(xiàng)目里當(dāng)時(shí)覺(jué)得不就是個(gè)慢速串行總線嘛隨便寫(xiě)個(gè)狀態(tài)機(jī)就搞定了。結(jié)果第一版代碼上板之后波形抓出來(lái)一看起始條件建立時(shí)間不夠、數(shù)據(jù)保持時(shí)間踩在邊界上、從設(shè)備偶爾NACK、多字節(jié)連續(xù)讀寫(xiě)的時(shí)候狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)混亂——問(wèn)題一個(gè)接一個(gè)。這篇文章要聊的就是主模式I2C控制器的RTL設(shè)計(jì)核心圍繞三個(gè)東西展開(kāi)狀態(tài)機(jī)架構(gòu)怎么選、三態(tài)驅(qū)動(dòng)怎么處理、時(shí)序參數(shù)怎么算。適合有一定Verilog基礎(chǔ)、正在做I2C主控制器設(shè)計(jì)或者調(diào)試的工程師也適合想從“能跑”進(jìn)階到“跑得穩(wěn)”的朋友。我不會(huì)只貼代碼而是把每個(gè)設(shè)計(jì)決策背后的邏輯講清楚——為什么用三段式狀態(tài)機(jī)而不是一段式為什么SCL和SDA的輸出要分開(kāi)處理時(shí)鐘分頻系數(shù)到底怎么算才能覆蓋標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式。先給一個(gè)全局認(rèn)知I2C主模式控制器的本質(zhì)是一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器——把上層給的并行數(shù)據(jù)設(shè)備地址、寄存器地址、寫(xiě)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合I2C時(shí)序規(guī)范的串行比特流同時(shí)把從設(shè)備返回的串行數(shù)據(jù)還原成并行數(shù)據(jù)。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程由狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)而狀態(tài)機(jī)的每一個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著總線上一個(gè)明確的物理動(dòng)作。理解了這個(gè)本質(zhì)后面的設(shè)計(jì)思路就順了。2. 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)選型一段式、兩段式還是三段式2.1 三種狀態(tài)機(jī)寫(xiě)法的本質(zhì)區(qū)別Verilog寫(xiě)狀態(tài)機(jī)教科書(shū)上通常講三種寫(xiě)法一段式、兩段式、三段式。很多人初學(xué)的時(shí)候覺(jué)得功能都一樣隨便選一個(gè)能跑就行。但實(shí)際上這三種寫(xiě)法在時(shí)序收斂、代碼可維護(hù)性、綜合結(jié)果上的差異非常大尤其是在I2C這種對(duì)時(shí)序敏感的場(chǎng)景下。一段式狀態(tài)機(jī)把所有邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移、輸出賦值、計(jì)數(shù)器控制塞在一個(gè)always塊里。代碼看起來(lái)緊湊但組合邏輯路徑長(zhǎng)容易產(chǎn)生毛刺而且后期加功能的時(shí)候牽一發(fā)動(dòng)全身。我早期寫(xiě)過(guò)一版一段式的I2C控制器仿真沒(méi)問(wèn)題上板之后SCL上出現(xiàn)了窄脈沖毛刺從設(shè)備直接不響應(yīng)了。后來(lái)用邏輯分析儀抓波形才發(fā)現(xiàn)是組合邏輯的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)導(dǎo)致的。兩段式狀態(tài)機(jī)把狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出邏輯分開(kāi)時(shí)序邏輯負(fù)責(zé)狀態(tài)切換組合邏輯負(fù)責(zé)輸出譯碼。這種寫(xiě)法比一段式好一些但輸出仍然是組合邏輯毛刺風(fēng)險(xiǎn)依然存在。對(duì)于I2C的SCL和SDA這種直接驅(qū)動(dòng)外部引腳的信號(hào)來(lái)說(shuō)組合邏輯輸出是大忌。三段式狀態(tài)機(jī)是我最終采用的方案也是我推薦給所有做I2C控制器的朋友的標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)法。它的核心思想是第一段時(shí)序邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移第二段組合邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件第三段時(shí)序邏輯描述輸出。這樣所有輸出都是寄存器輸出沒(méi)有組合邏輯毛刺時(shí)序收斂也好做。2.2 為什么I2C主模式必須用三段式有人可能會(huì)問(wèn)I2C速度又不高標(biāo)準(zhǔn)模式才100kHz快速模式400kHz就算有毛刺從設(shè)備也應(yīng)該能濾掉吧這個(gè)想法很危險(xiǎn)。I2C協(xié)議對(duì)**起始條件START和停止條件STOP**的定義是建立在SDA和SCL的相對(duì)時(shí)序上的SCL為高時(shí)SDA從高變低是STARTSCL為高時(shí)SDA從低變高是STOP。如果你的SDA輸出有毛刺在SCL高電平期間抖動(dòng)了一下從設(shè)備就可能誤判為START或STOP條件導(dǎo)致總線狀態(tài)混亂。三段式狀態(tài)機(jī)的輸出是寄存器打拍出來(lái)的每個(gè)輸出信號(hào)的跳變都對(duì)齊到時(shí)鐘邊沿不會(huì)出現(xiàn)組合邏輯的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。而且第三段輸出邏輯可以很方便地根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件精確控制每個(gè)信號(hào)的賦值代碼結(jié)構(gòu)也清晰。2.3 狀態(tài)編碼的選擇二進(jìn)制、格雷碼還是獨(dú)熱碼狀態(tài)編碼方式也會(huì)影響控制器的穩(wěn)定性和資源占用。二進(jìn)制編碼用的寄存器最少但狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)多位同時(shí)變化譯碼邏輯復(fù)雜容易產(chǎn)生毛刺。格雷碼相鄰狀態(tài)只有一位變化毛刺少但狀態(tài)多了之后編碼不直觀。獨(dú)熱碼每個(gè)狀態(tài)用一個(gè)寄存器位表示譯碼簡(jiǎn)單速度快但寄存器消耗大。對(duì)于I2C主控制器來(lái)說(shuō)狀態(tài)數(shù)量通常在10到20個(gè)之間不算多。我一般推薦用獨(dú)熱碼原因是第一譯碼邏輯簡(jiǎn)單每個(gè)狀態(tài)就是一個(gè)寄存器的位組合邏輯路徑短第二狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)只有兩個(gè)位變化當(dāng)前狀態(tài)位清零下一狀態(tài)位置一毛刺風(fēng)險(xiǎn)低第三FPGA里寄存器資源相對(duì)充裕多消耗幾個(gè)寄存器換來(lái)時(shí)序余量的提升是值得的。如果做ASIC對(duì)面積敏感可以考慮格雷碼但一定要做好時(shí)序約束。3. 主模式I2C的狀態(tài)劃分與轉(zhuǎn)移邏輯3.1 完整的狀態(tài)定義一個(gè)完整的主模式I2C控制器狀態(tài)劃分需要覆蓋以下場(chǎng)景總線空閑、發(fā)送起始條件、發(fā)送設(shè)備地址和讀寫(xiě)位、等待應(yīng)答、發(fā)送寄存器地址、發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)、重復(fù)起始條件、讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送應(yīng)答或非應(yīng)答、發(fā)送停止條件。我通常把它拆成以下?tīng)顟B(tài)IDLE總線空閑SCL和SDA都為高電平。START產(chǎn)生起始條件SCL保持高SDA從高拉低。SEND_ADDR逐位發(fā)送7位設(shè)備地址加1位讀寫(xiě)控制位。ACK_ADDR釋放SDA接收從設(shè)備的應(yīng)答位。SEND_REG發(fā)送寄存器地址如果是讀寫(xiě)從設(shè)備內(nèi)部寄存器。ACK_REG接收寄存器地址的應(yīng)答位。SEND_DATA發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)。ACK_DATA接收寫(xiě)數(shù)據(jù)的應(yīng)答位。RESTART產(chǎn)生重復(fù)起始條件。READ_DATA接收從設(shè)備返回的讀數(shù)據(jù)字節(jié)。SEND_ACK主機(jī)發(fā)送應(yīng)答繼續(xù)讀或非應(yīng)答結(jié)束讀。STOP產(chǎn)生停止條件SCL高時(shí)SDA從低拉高。這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件由位計(jì)數(shù)器和字節(jié)計(jì)數(shù)器共同決定。位計(jì)數(shù)器從0到7循環(huán)每計(jì)滿8位產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)完成信號(hào)字節(jié)計(jì)數(shù)器根據(jù)上層配置的讀寫(xiě)長(zhǎng)度決定發(fā)送或接收多少個(gè)字節(jié)。3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件的細(xì)節(jié)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件的設(shè)計(jì)有幾個(gè)容易踩坑的地方。第一個(gè)是起始條件的建立時(shí)間。I2C規(guī)范要求START條件之前SDA和SCL都必須保持高電平至少4.7微秒標(biāo)準(zhǔn)模式。很多初學(xué)者直接從IDLE跳到STARTSDA拉低的時(shí)候SCL可能剛穩(wěn)定下來(lái)建立時(shí)間不夠。我的做法是在IDLE狀態(tài)加一個(gè)延時(shí)計(jì)數(shù)器確?？偩€空閑時(shí)間滿足規(guī)范要求再發(fā)起始條件。第二個(gè)是應(yīng)答位的采樣時(shí)機(jī)。從設(shè)備在SCL的第9個(gè)時(shí)鐘周期拉低SDA表示應(yīng)答。主機(jī)需要在SCL高電平期間采樣SDA。如果采樣時(shí)機(jī)不對(duì)可能采到從設(shè)備釋放SDA的過(guò)渡狀態(tài)。我的做法是在SCL高電平的中間時(shí)刻采樣具體來(lái)說(shuō)SCL上升沿之后等待四分之一時(shí)鐘周期再采樣這樣最穩(wěn)定。第三個(gè)是重復(fù)起始條件與停止條件的區(qū)分。讀操作通常需要先寫(xiě)寄存器地址然后發(fā)重復(fù)起始條件再發(fā)讀地址。重復(fù)起始條件的時(shí)序和普通起始條件一樣但前面不需要停止條件。狀態(tài)機(jī)里需要用一個(gè)標(biāo)志位來(lái)區(qū)分當(dāng)前是首次起始還是重復(fù)起始避免錯(cuò)誤地插入停止條件。3.3 位計(jì)數(shù)器和字節(jié)計(jì)數(shù)器的協(xié)同位計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)在一個(gè)字節(jié)內(nèi)逐位發(fā)送或接收字節(jié)計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)傳輸了多少個(gè)字節(jié)。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的協(xié)同邏輯是狀態(tài)機(jī)正確運(yùn)行的關(guān)鍵。位計(jì)數(shù)器在每個(gè)SCL下降沿加一計(jì)到7之后歸零同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)完成脈沖。字節(jié)計(jì)數(shù)器在字節(jié)完成脈沖到來(lái)時(shí)加一根據(jù)上層配置的總字節(jié)數(shù)判斷是否繼續(xù)。如果是寫(xiě)操作字節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)到目標(biāo)值后進(jìn)入STOP狀態(tài)如果是讀操作字節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)到目標(biāo)值減一時(shí)在最后一個(gè)字節(jié)的應(yīng)答位發(fā)送NACK然后進(jìn)入STOP狀態(tài)。這里有一個(gè)細(xì)節(jié)讀操作的最后一個(gè)字節(jié)主機(jī)必須發(fā)送NACK而不是ACK告訴從設(shè)備停止發(fā)送。很多初學(xué)者忘了這一點(diǎn)導(dǎo)致從設(shè)備繼續(xù)輸出數(shù)據(jù)總線掛死。我在代碼里用一個(gè)last_byte信號(hào)來(lái)標(biāo)記當(dāng)前是否是最后一個(gè)字節(jié)在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)這個(gè)信號(hào)決定發(fā)送ACK還是NACK。4. 三態(tài)驅(qū)動(dòng)的RTL實(shí)現(xiàn)與開(kāi)漏總線處理4.1 I2C總線的物理特性與三態(tài)驅(qū)動(dòng)原理I2C總線是開(kāi)漏輸出結(jié)構(gòu)SCL和SDA線上各有一個(gè)上拉電阻。任何設(shè)備都可以把線拉低但不能主動(dòng)拉高——拉高是靠上拉電阻完成的。這意味著每個(gè)設(shè)備的SCL和SDA引腳都需要三態(tài)驅(qū)動(dòng)輸出0時(shí)驅(qū)動(dòng)低電平輸出1時(shí)進(jìn)入高阻態(tài)讓上拉電阻把線拉高。在Verilog里三態(tài)驅(qū)動(dòng)通常這樣寫(xiě)assign scl scl_out_en ? 1b0 : 1bz; assign sda sda_out_en ? 1b0 : 1bz;其中scl_out_en和sda_out_en是輸出使能信號(hào)為1時(shí)驅(qū)動(dòng)低電平為0時(shí)釋放總線。注意這里永遠(yuǎn)不驅(qū)動(dòng)高電平只驅(qū)動(dòng)低電平或高阻。這是I2C和SPI、UART最大的區(qū)別——SPI是推挽輸出可以主動(dòng)驅(qū)動(dòng)高和低I2C必須遵守開(kāi)漏規(guī)則否則多個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生電源對(duì)地的短路。4.2 輸出使能信號(hào)的生成邏輯輸出使能信號(hào)的生成是三態(tài)驅(qū)動(dòng)的核心。對(duì)于SCL來(lái)說(shuō)主機(jī)在大部分時(shí)間里都是驅(qū)動(dòng)低電平的因?yàn)橹鳈C(jī)控制時(shí)鐘只有在需要釋放時(shí)鐘線讓從設(shè)備拉低時(shí)比如時(shí)鐘同步或仲裁丟失才進(jìn)入高阻。但在標(biāo)準(zhǔn)的主模式單主機(jī)場(chǎng)景下SCL通常由主機(jī)獨(dú)占控制從設(shè)備不會(huì)拉低SCL除了時(shí)鐘拉伸的情況。對(duì)于SDA來(lái)說(shuō)輸出使能的控制更復(fù)雜。發(fā)送數(shù)據(jù)位時(shí)根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)位是0還是1決定是否驅(qū)動(dòng)低電平接收數(shù)據(jù)位時(shí)必須釋放SDA讓從設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送應(yīng)答位時(shí)根據(jù)是ACK還是NACK決定是否驅(qū)動(dòng)低電平。我在代碼里把SDA的輸出使能邏輯放在三段式狀態(tài)機(jī)的第三段根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和要發(fā)送的數(shù)據(jù)位來(lái)賦值always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sda_out_en 1b0; end else begin case (state) SEND_ADDR, SEND_REG, SEND_DATA: begin sda_out_en ~tx_data[bit_cnt]; end ACK_ADDR, ACK_REG, ACK_DATA, READ_DATA: begin sda_out_en 1b0; end SEND_ACK: begin sda_out_en ~ack_bit; end default: begin sda_out_en 1b0; end endcase end end這段代碼的邏輯是發(fā)送狀態(tài)時(shí)如果當(dāng)前數(shù)據(jù)位是0則驅(qū)動(dòng)低電平sda_out_en 1如果數(shù)據(jù)位是1則釋放總線sda_out_en 0。接收狀態(tài)時(shí)始終釋放總線。發(fā)送應(yīng)答時(shí)ACK驅(qū)動(dòng)低電平NACK釋放總線。4.3 輸入采樣與同步處理SDA和SCL作為輸入信號(hào)從外部引腳進(jìn)入FPGA后需要做同步處理避免亞穩(wěn)態(tài)。通常用兩級(jí)觸發(fā)器打拍always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sda_sync1 1b1; sda_sync2 1b1; scl_sync1 1b1; scl_sync2 1b1; end else begin sda_sync1 sda_in; sda_sync2 sda_sync1; scl_sync1 scl_in; scl_sync2 scl_sync1; end end同步之后的信號(hào)再用于狀態(tài)機(jī)的采樣邏輯。注意采樣SDA的時(shí)機(jī)——在SCL高電平期間采樣而且要在SCL穩(wěn)定之后。我通常用scl_sync2的上升沿作為采樣觸發(fā)條件在上升沿之后延遲幾個(gè)時(shí)鐘周期再采樣SDA確保信號(hào)穩(wěn)定。5. 時(shí)鐘分頻與I2C時(shí)序參數(shù)計(jì)算5.1 時(shí)鐘分頻系數(shù)的計(jì)算方法I2C的SCL頻率由主機(jī)時(shí)鐘分頻得到。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz目標(biāo)SCL頻率為100kHz標(biāo)準(zhǔn)模式分頻系數(shù)為分頻系數(shù) 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 / (2 × SCL頻率) 50,000,000 / (2 × 100,000) 250為什么是2倍因?yàn)镾CL的一個(gè)完整周期包括高電平和低電平各一半分頻計(jì)數(shù)器需要計(jì)到250時(shí)翻轉(zhuǎn)一次SCL電平這樣SCL的周期就是500個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)100kHz。對(duì)于快速模式400kHz分頻系數(shù)為分頻系數(shù) 50,000,000 / (2 × 400,000) 62.5取整為62或63。取62時(shí)SCL頻率約為403kHz取63時(shí)約為397kHz都在400kHz的容差范圍內(nèi)。我一般取63稍微慢一點(diǎn)更穩(wěn)妥。5.2 時(shí)序參數(shù)的規(guī)范要求I2C規(guī)范對(duì)時(shí)序有明確要求標(biāo)準(zhǔn)模式下START條件的建立時(shí)間最小4.7微秒START條件的保持時(shí)間最小4.0微秒STOP條件的建立時(shí)間最小4.0微秒數(shù)據(jù)建立時(shí)間最小250納秒數(shù)據(jù)保持時(shí)間最小0納秒但實(shí)際建議留足余量。這些參數(shù)在RTL里通過(guò)延時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)保證。比如START條件的建立時(shí)間在IDLE狀態(tài)檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后先等待一個(gè)4.7微秒的計(jì)數(shù)器然后再拉低SDA。4.7微秒在50MHz時(shí)鐘下對(duì)應(yīng)235個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器計(jì)到235即可。數(shù)據(jù)保持時(shí)間的處理稍微復(fù)雜一些。I2C規(guī)范要求數(shù)據(jù)在SCL下降沿之后保持至少0納秒但實(shí)際上為了穩(wěn)定我通常讓數(shù)據(jù)在SCL下降沿之后繼續(xù)保持半個(gè)時(shí)鐘周期再變化。這樣從設(shè)備有足夠的時(shí)間鎖存數(shù)據(jù)。5.3 時(shí)鐘拉伸的處理時(shí)鐘拉伸是I2C的一個(gè)特性從設(shè)備可以通過(guò)拉低SCL來(lái)暫停主機(jī)的時(shí)鐘給自己爭(zhēng)取處理時(shí)間。主模式控制器必須支持這個(gè)特性否則在某些從設(shè)備比如EEPROM在寫(xiě)周期內(nèi)上會(huì)出錯(cuò)。處理時(shí)鐘拉伸的邏輯是主機(jī)釋放SCL之后檢測(cè)SCL是否真的變高了。如果SCL被從設(shè)備拉低主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)直到SCL變高才繼續(xù)。在RTL里這通過(guò)檢測(cè)scl_sync2的上升沿來(lái)實(shí)現(xiàn)always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin scl_stretch 1b0; end else begin if (scl_out_en 1b0 scl_sync2 1b0) scl_stretch 1b1; else if (scl_sync2 1b1) scl_stretch 1b0; end end當(dāng)scl_stretch為1時(shí)狀態(tài)機(jī)暫停在當(dāng)前位置不進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移直到SCL釋放。6. 讀寫(xiě)操作的完整流程與代碼實(shí)現(xiàn)6.1 寫(xiě)操作的流程拆解寫(xiě)操作是最基本的I2C事務(wù)流程如下發(fā)送START條件發(fā)送設(shè)備地址加寫(xiě)位0等待ACK發(fā)送寄存器地址等待ACK發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)等待ACK發(fā)送STOP條件。每一步在狀態(tài)機(jī)里都有對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。以寫(xiě)一個(gè)字節(jié)到EEPROM的寄存器為例狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列是IDLE → START → SEND_ADDR → ACK_ADDR → SEND_REG → ACK_REG → SEND_DATA → ACK_DATA → STOP → IDLE。在SEND_ADDR狀態(tài)狀態(tài)機(jī)把設(shè)備地址和寫(xiě)位組成一個(gè)8位數(shù)據(jù)逐位發(fā)送。位計(jì)數(shù)器從7遞減到0每次發(fā)送最高位。發(fā)送完8位后進(jìn)入ACK_ADDR狀態(tài)釋放SDA在SCL的第9個(gè)周期采樣SDA如果為0表示從設(shè)備應(yīng)答繼續(xù)如果為1表示NACK進(jìn)入錯(cuò)誤處理或直接STOP。6.2 讀操作的流程拆解讀操作比寫(xiě)操作多一個(gè)重復(fù)起始條件。流程是發(fā)送START發(fā)送設(shè)備地址加寫(xiě)位等待ACK發(fā)送寄存器地址等待ACK發(fā)送重復(fù)START發(fā)送設(shè)備地址加讀位1等待ACK讀取數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送NACK發(fā)送STOP。注意讀操作的最后一個(gè)字節(jié)主機(jī)必須發(fā)送NACK。在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)last_byte信號(hào)決定發(fā)送ACK還是NACK。如果是最后一個(gè)字節(jié)ack_bit置1NACK釋放SDA否則ack_bit置0ACK驅(qū)動(dòng)SDA低。6.3 關(guān)鍵代碼片段與注釋下面是狀態(tài)機(jī)第三段輸出邏輯的核心代碼展示了SCL和SDA的輸出使能如何根據(jù)狀態(tài)生成always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end else begin case (state) IDLE: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end START: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b1; end SEND_ADDR, SEND_REG, SEND_DATA: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en ~tx_data[bit_cnt]; end ACK_ADDR, ACK_REG, ACK_DATA, READ_DATA: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en 1b0; end SEND_ACK: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en ~ack_bit; end STOP: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end default: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end endcase end end其中scl_phase是SCL的相位信號(hào)由分頻計(jì)數(shù)器生成0表示SCL低電平階段1表示高電平階段。scl_out_en ~scl_phase表示在SCL低電平階段驅(qū)動(dòng)低電平高電平階段釋放總線。7. 仿真驗(yàn)證與上板調(diào)試的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)7.1 仿真環(huán)境的搭建I2C控制器的仿真需要一個(gè)從設(shè)備模型來(lái)響應(yīng)主機(jī)的讀寫(xiě)請(qǐng)求。我通常用Verilog寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的EEPROM模型支持隨機(jī)讀寫(xiě)和ACK響應(yīng)。仿真平臺(tái)包括時(shí)鐘和復(fù)位生成、主機(jī)控制器實(shí)例化、從設(shè)備模型實(shí)例化、總線上的上拉電阻模擬用pullup語(yǔ)句。仿真用例要覆蓋單字節(jié)寫(xiě)、單字節(jié)讀、多字節(jié)連續(xù)寫(xiě)、多字節(jié)連續(xù)讀、NACK響應(yīng)處理、時(shí)鐘拉伸場(chǎng)景。每個(gè)用例都要檢查總線上的時(shí)序是否符合規(guī)范數(shù)據(jù)是否正確。7.2 邏輯分析儀抓波形的技巧上板調(diào)試的時(shí)候邏輯分析儀是必不可少的工具。我用的是Saleae Logic或者類似的工具采樣率至少設(shè)到10MHz以上才能看清100kHz SCL的細(xì)節(jié)。抓波形的時(shí)候重點(diǎn)看幾個(gè)地方START條件的建立時(shí)間是否足夠SDA在SCL高電平期間是否穩(wěn)定ACK位的采樣點(diǎn)是否正確STOP條件的時(shí)序是否規(guī)范。如果發(fā)現(xiàn)從設(shè)備不響應(yīng)先檢查設(shè)備地址是否正確——7位地址左移一位再加讀寫(xiě)位很多人在這里搞錯(cuò)。7.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表問(wèn)題現(xiàn)象可能原因排查方法從設(shè)備完全不響應(yīng)設(shè)備地址錯(cuò)誤用邏輯分析儀抓SDA波形核對(duì)地址位第一個(gè)字節(jié)ACK正常后續(xù)NACK寄存器地址錯(cuò)誤檢查寄存器地址是否在從設(shè)備支持范圍內(nèi)SCL無(wú)輸出輸出使能邏輯錯(cuò)誤檢查scl_out_en是否在正確狀態(tài)置位SDA一直被拉低三態(tài)驅(qū)動(dòng)沖突檢查是否有多個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)SDA讀數(shù)據(jù)全為1從設(shè)備未驅(qū)動(dòng)SDA檢查主機(jī)是否在READ_DATA狀態(tài)釋放了SDA總線掛死缺少STOP條件檢查狀態(tài)機(jī)是否有超時(shí)退出機(jī)制8. 踩坑記錄與設(shè)計(jì)優(yōu)化建議8.1 我踩過(guò)的三個(gè)典型坑第一個(gè)坑是起始條件建立時(shí)間不足。早期版本直接從IDLE跳到STARTSDA拉低的時(shí)候SCL剛穩(wěn)定建立時(shí)間只有幾個(gè)時(shí)鐘周期。從設(shè)備偶爾能識(shí)別偶爾不能。后來(lái)在IDLE狀態(tài)加了延時(shí)計(jì)數(shù)器確?？偩€空閑時(shí)間超過(guò)4.7微秒再發(fā)起始條件問(wèn)題解決。第二個(gè)坑是讀操作最后一個(gè)字節(jié)忘了發(fā)NACK。從設(shè)備收到ACK后繼續(xù)輸出下一個(gè)字節(jié)但主機(jī)已經(jīng)進(jìn)入STOP狀態(tài)總線沖突。后來(lái)加了last_byte信號(hào)在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)這個(gè)信號(hào)決定ACK還是NACK。第三個(gè)坑是時(shí)鐘拉伸處理不完整。主機(jī)釋放SCL后沒(méi)有檢測(cè)SCL是否真的變高直接進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。在EEPROM寫(xiě)周期內(nèi)從設(shè)備拉低SCL主機(jī)卻繼續(xù)跑狀態(tài)機(jī)導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)亂。后來(lái)加了scl_stretch檢測(cè)邏輯SCL被拉低時(shí)狀態(tài)機(jī)暫停。8.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方向如果要把這個(gè)控制器做得更完善可以考慮幾個(gè)方向第一加超時(shí)機(jī)制總線掛死時(shí)自動(dòng)復(fù)位狀態(tài)機(jī)第二支持多主機(jī)仲裁檢測(cè)SDA與自身輸出不一致時(shí)退出仲裁第三加FIFO緩沖支持連續(xù)多字節(jié)讀寫(xiě)而不需要上層頻繁干預(yù)第四參數(shù)化設(shè)計(jì)SCL頻率、地址位寬、數(shù)據(jù)位寬都可配置。8.3 給初學(xué)者的建議如果你剛開(kāi)始做I2C主控制器我的建議是先用三段式狀態(tài)機(jī)把基本讀寫(xiě)跑通再逐步加功能。不要一上來(lái)就追求大而全先把單字節(jié)寫(xiě)和單字節(jié)讀調(diào)穩(wěn)定。仿真的時(shí)候一定要寫(xiě)從設(shè)備模型不要只靠上板調(diào)試。邏輯分析儀抓波形的時(shí)候先看SCL再看SDASCL是節(jié)奏SDA是內(nèi)容節(jié)奏對(duì)了內(nèi)容才好排查。我在實(shí)際項(xiàng)目里用這套架構(gòu)做過(guò)EEPROM控制器、傳感器采集控制器、OLED驅(qū)動(dòng)控制器基本沒(méi)出過(guò)大問(wèn)題。關(guān)鍵就是把狀態(tài)機(jī)寫(xiě)規(guī)范把三態(tài)驅(qū)動(dòng)處理干凈把時(shí)序參數(shù)算準(zhǔn)確。這三件事做好了I2C主模式控制器就穩(wěn)了。 FPGA主模式I2C控制器RTL設(shè)計(jì)：三段式狀態(tài)機(jī)與三態(tài)驅(qū)動(dòng)實(shí)踐
1. 主模式I2C的RTL設(shè)計(jì)到底在解決什么問(wèn)題做FPGA或者ASIC的兄弟應(yīng)該都有體會(huì)I2C這個(gè)協(xié)議看起來(lái)簡(jiǎn)單——兩根線一根時(shí)鐘一根數(shù)據(jù)開(kāi)漏輸出掛載多個(gè)從設(shè)備。但真正落到RTL代碼上尤其是要做一個(gè)穩(wěn)定可靠的主模式控制器坑遠(yuǎn)比想象中多。我最早接觸I2C是在一個(gè)傳感器采集項(xiàng)目里當(dāng)時(shí)覺(jué)得不就是個(gè)慢速串行總線嘛隨便寫(xiě)個(gè)狀態(tài)機(jī)就搞定了。結(jié)果第一版代碼上板之后波形抓出來(lái)一看起始條件建立時(shí)間不夠、數(shù)據(jù)保持時(shí)間踩在邊界上、從設(shè)備偶爾NACK、多字節(jié)連續(xù)讀寫(xiě)的時(shí)候狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)混亂——問(wèn)題一個(gè)接一個(gè)。這篇文章要聊的就是主模式I2C控制器的RTL設(shè)計(jì)核心圍繞三個(gè)東西展開(kāi)狀態(tài)機(jī)架構(gòu)怎么選、三態(tài)驅(qū)動(dòng)怎么處理、時(shí)序參數(shù)怎么算。適合有一定Verilog基礎(chǔ)、正在做I2C主控制器設(shè)計(jì)或者調(diào)試的工程師也適合想從“能跑”進(jìn)階到“跑得穩(wěn)”的朋友。我不會(huì)只貼代碼而是把每個(gè)設(shè)計(jì)決策背后的邏輯講清楚——為什么用三段式狀態(tài)機(jī)而不是一段式為什么SCL和SDA的輸出要分開(kāi)處理時(shí)鐘分頻系數(shù)到底怎么算才能覆蓋標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和高速模式。先給一個(gè)全局認(rèn)知I2C主模式控制器的本質(zhì)是一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器——把上層給的并行數(shù)據(jù)設(shè)備地址、寄存器地址、寫(xiě)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合I2C時(shí)序規(guī)范的串行比特流同時(shí)把從設(shè)備返回的串行數(shù)據(jù)還原成并行數(shù)據(jù)。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程由狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)而狀態(tài)機(jī)的每一個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著總線上一個(gè)明確的物理動(dòng)作。理解了這個(gè)本質(zhì)后面的設(shè)計(jì)思路就順了。2. 狀態(tài)機(jī)架構(gòu)選型一段式、兩段式還是三段式2.1 三種狀態(tài)機(jī)寫(xiě)法的本質(zhì)區(qū)別Verilog寫(xiě)狀態(tài)機(jī)教科書(shū)上通常講三種寫(xiě)法一段式、兩段式、三段式。很多人初學(xué)的時(shí)候覺(jué)得功能都一樣隨便選一個(gè)能跑就行。但實(shí)際上這三種寫(xiě)法在時(shí)序收斂、代碼可維護(hù)性、綜合結(jié)果上的差異非常大尤其是在I2C這種對(duì)時(shí)序敏感的場(chǎng)景下。一段式狀態(tài)機(jī)把所有邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)移、輸出賦值、計(jì)數(shù)器控制塞在一個(gè)always塊里。代碼看起來(lái)緊湊但組合邏輯路徑長(zhǎng)容易產(chǎn)生毛刺而且后期加功能的時(shí)候牽一發(fā)動(dòng)全身。我早期寫(xiě)過(guò)一版一段式的I2C控制器仿真沒(méi)問(wèn)題上板之后SCL上出現(xiàn)了窄脈沖毛刺從設(shè)備直接不響應(yīng)了。后來(lái)用邏輯分析儀抓波形才發(fā)現(xiàn)是組合邏輯的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)導(dǎo)致的。兩段式狀態(tài)機(jī)把狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出邏輯分開(kāi)時(shí)序邏輯負(fù)責(zé)狀態(tài)切換組合邏輯負(fù)責(zé)輸出譯碼。這種寫(xiě)法比一段式好一些但輸出仍然是組合邏輯毛刺風(fēng)險(xiǎn)依然存在。對(duì)于I2C的SCL和SDA這種直接驅(qū)動(dòng)外部引腳的信號(hào)來(lái)說(shuō)組合邏輯輸出是大忌。三段式狀態(tài)機(jī)是我最終采用的方案也是我推薦給所有做I2C控制器的朋友的標(biāo)準(zhǔn)寫(xiě)法。它的核心思想是第一段時(shí)序邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移第二段組合邏輯描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件第三段時(shí)序邏輯描述輸出。這樣所有輸出都是寄存器輸出沒(méi)有組合邏輯毛刺時(shí)序收斂也好做。2.2 為什么I2C主模式必須用三段式有人可能會(huì)問(wèn)I2C速度又不高標(biāo)準(zhǔn)模式才100kHz快速模式400kHz就算有毛刺從設(shè)備也應(yīng)該能濾掉吧這個(gè)想法很危險(xiǎn)。I2C協(xié)議對(duì)**起始條件START和停止條件STOP**的定義是建立在SDA和SCL的相對(duì)時(shí)序上的SCL為高時(shí)SDA從高變低是STARTSCL為高時(shí)SDA從低變高是STOP。如果你的SDA輸出有毛刺在SCL高電平期間抖動(dòng)了一下從設(shè)備就可能誤判為START或STOP條件導(dǎo)致總線狀態(tài)混亂。三段式狀態(tài)機(jī)的輸出是寄存器打拍出來(lái)的每個(gè)輸出信號(hào)的跳變都對(duì)齊到時(shí)鐘邊沿不會(huì)出現(xiàn)組合邏輯的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。而且第三段輸出邏輯可以很方便地根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入條件精確控制每個(gè)信號(hào)的賦值代碼結(jié)構(gòu)也清晰。2.3 狀態(tài)編碼的選擇二進(jìn)制、格雷碼還是獨(dú)熱碼狀態(tài)編碼方式也會(huì)影響控制器的穩(wěn)定性和資源占用。二進(jìn)制編碼用的寄存器最少但狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)多位同時(shí)變化譯碼邏輯復(fù)雜容易產(chǎn)生毛刺。格雷碼相鄰狀態(tài)只有一位變化毛刺少但狀態(tài)多了之后編碼不直觀。獨(dú)熱碼每個(gè)狀態(tài)用一個(gè)寄存器位表示譯碼簡(jiǎn)單速度快但寄存器消耗大。對(duì)于I2C主控制器來(lái)說(shuō)狀態(tài)數(shù)量通常在10到20個(gè)之間不算多。我一般推薦用獨(dú)熱碼原因是第一譯碼邏輯簡(jiǎn)單每個(gè)狀態(tài)就是一個(gè)寄存器的位組合邏輯路徑短第二狀態(tài)跳轉(zhuǎn)時(shí)只有兩個(gè)位變化當(dāng)前狀態(tài)位清零下一狀態(tài)位置一毛刺風(fēng)險(xiǎn)低第三FPGA里寄存器資源相對(duì)充裕多消耗幾個(gè)寄存器換來(lái)時(shí)序余量的提升是值得的。如果做ASIC對(duì)面積敏感可以考慮格雷碼但一定要做好時(shí)序約束。3. 主模式I2C的狀態(tài)劃分與轉(zhuǎn)移邏輯3.1 完整的狀態(tài)定義一個(gè)完整的主模式I2C控制器狀態(tài)劃分需要覆蓋以下場(chǎng)景總線空閑、發(fā)送起始條件、發(fā)送設(shè)備地址和讀寫(xiě)位、等待應(yīng)答、發(fā)送寄存器地址、發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)、重復(fù)起始條件、讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送應(yīng)答或非應(yīng)答、發(fā)送停止條件。我通常把它拆成以下?tīng)顟B(tài)IDLE總線空閑SCL和SDA都為高電平。START產(chǎn)生起始條件SCL保持高SDA從高拉低。SEND_ADDR逐位發(fā)送7位設(shè)備地址加1位讀寫(xiě)控制位。ACK_ADDR釋放SDA接收從設(shè)備的應(yīng)答位。SEND_REG發(fā)送寄存器地址如果是讀寫(xiě)從設(shè)備內(nèi)部寄存器。ACK_REG接收寄存器地址的應(yīng)答位。SEND_DATA發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)字節(jié)。ACK_DATA接收寫(xiě)數(shù)據(jù)的應(yīng)答位。RESTART產(chǎn)生重復(fù)起始條件。READ_DATA接收從設(shè)備返回的讀數(shù)據(jù)字節(jié)。SEND_ACK主機(jī)發(fā)送應(yīng)答繼續(xù)讀或非應(yīng)答結(jié)束讀。STOP產(chǎn)生停止條件SCL高時(shí)SDA從低拉高。這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件由位計(jì)數(shù)器和字節(jié)計(jì)數(shù)器共同決定。位計(jì)數(shù)器從0到7循環(huán)每計(jì)滿8位產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)完成信號(hào)字節(jié)計(jì)數(shù)器根據(jù)上層配置的讀寫(xiě)長(zhǎng)度決定發(fā)送或接收多少個(gè)字節(jié)。3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件的細(xì)節(jié)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件的設(shè)計(jì)有幾個(gè)容易踩坑的地方。第一個(gè)是起始條件的建立時(shí)間。I2C規(guī)范要求START條件之前SDA和SCL都必須保持高電平至少4.7微秒標(biāo)準(zhǔn)模式。很多初學(xué)者直接從IDLE跳到STARTSDA拉低的時(shí)候SCL可能剛穩(wěn)定下來(lái)建立時(shí)間不夠。我的做法是在IDLE狀態(tài)加一個(gè)延時(shí)計(jì)數(shù)器確?？偩€空閑時(shí)間滿足規(guī)范要求再發(fā)起始條件。第二個(gè)是應(yīng)答位的采樣時(shí)機(jī)。從設(shè)備在SCL的第9個(gè)時(shí)鐘周期拉低SDA表示應(yīng)答。主機(jī)需要在SCL高電平期間采樣SDA。如果采樣時(shí)機(jī)不對(duì)可能采到從設(shè)備釋放SDA的過(guò)渡狀態(tài)。我的做法是在SCL高電平的中間時(shí)刻采樣具體來(lái)說(shuō)SCL上升沿之后等待四分之一時(shí)鐘周期再采樣這樣最穩(wěn)定。第三個(gè)是重復(fù)起始條件與停止條件的區(qū)分。讀操作通常需要先寫(xiě)寄存器地址然后發(fā)重復(fù)起始條件再發(fā)讀地址。重復(fù)起始條件的時(shí)序和普通起始條件一樣但前面不需要停止條件。狀態(tài)機(jī)里需要用一個(gè)標(biāo)志位來(lái)區(qū)分當(dāng)前是首次起始還是重復(fù)起始避免錯(cuò)誤地插入停止條件。3.3 位計(jì)數(shù)器和字節(jié)計(jì)數(shù)器的協(xié)同位計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)在一個(gè)字節(jié)內(nèi)逐位發(fā)送或接收字節(jié)計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)傳輸了多少個(gè)字節(jié)。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器的協(xié)同邏輯是狀態(tài)機(jī)正確運(yùn)行的關(guān)鍵。位計(jì)數(shù)器在每個(gè)SCL下降沿加一計(jì)到7之后歸零同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)完成脈沖。字節(jié)計(jì)數(shù)器在字節(jié)完成脈沖到來(lái)時(shí)加一根據(jù)上層配置的總字節(jié)數(shù)判斷是否繼續(xù)。如果是寫(xiě)操作字節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)到目標(biāo)值后進(jìn)入STOP狀態(tài)如果是讀操作字節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)到目標(biāo)值減一時(shí)在最后一個(gè)字節(jié)的應(yīng)答位發(fā)送NACK然后進(jìn)入STOP狀態(tài)。這里有一個(gè)細(xì)節(jié)讀操作的最后一個(gè)字節(jié)主機(jī)必須發(fā)送NACK而不是ACK告訴從設(shè)備停止發(fā)送。很多初學(xué)者忘了這一點(diǎn)導(dǎo)致從設(shè)備繼續(xù)輸出數(shù)據(jù)總線掛死。我在代碼里用一個(gè)last_byte信號(hào)來(lái)標(biāo)記當(dāng)前是否是最后一個(gè)字節(jié)在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)這個(gè)信號(hào)決定發(fā)送ACK還是NACK。4. 三態(tài)驅(qū)動(dòng)的RTL實(shí)現(xiàn)與開(kāi)漏總線處理4.1 I2C總線的物理特性與三態(tài)驅(qū)動(dòng)原理I2C總線是開(kāi)漏輸出結(jié)構(gòu)SCL和SDA線上各有一個(gè)上拉電阻。任何設(shè)備都可以把線拉低但不能主動(dòng)拉高——拉高是靠上拉電阻完成的。這意味著每個(gè)設(shè)備的SCL和SDA引腳都需要三態(tài)驅(qū)動(dòng)輸出0時(shí)驅(qū)動(dòng)低電平輸出1時(shí)進(jìn)入高阻態(tài)讓上拉電阻把線拉高。在Verilog里三態(tài)驅(qū)動(dòng)通常這樣寫(xiě)assign scl scl_out_en ? 1b0 : 1bz; assign sda sda_out_en ? 1b0 : 1bz;其中scl_out_en和sda_out_en是輸出使能信號(hào)為1時(shí)驅(qū)動(dòng)低電平為0時(shí)釋放總線。注意這里永遠(yuǎn)不驅(qū)動(dòng)高電平只驅(qū)動(dòng)低電平或高阻。這是I2C和SPI、UART最大的區(qū)別——SPI是推挽輸出可以主動(dòng)驅(qū)動(dòng)高和低I2C必須遵守開(kāi)漏規(guī)則否則多個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生電源對(duì)地的短路。4.2 輸出使能信號(hào)的生成邏輯輸出使能信號(hào)的生成是三態(tài)驅(qū)動(dòng)的核心。對(duì)于SCL來(lái)說(shuō)主機(jī)在大部分時(shí)間里都是驅(qū)動(dòng)低電平的因?yàn)橹鳈C(jī)控制時(shí)鐘只有在需要釋放時(shí)鐘線讓從設(shè)備拉低時(shí)比如時(shí)鐘同步或仲裁丟失才進(jìn)入高阻。但在標(biāo)準(zhǔn)的主模式單主機(jī)場(chǎng)景下SCL通常由主機(jī)獨(dú)占控制從設(shè)備不會(huì)拉低SCL除了時(shí)鐘拉伸的情況。對(duì)于SDA來(lái)說(shuō)輸出使能的控制更復(fù)雜。發(fā)送數(shù)據(jù)位時(shí)根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)位是0還是1決定是否驅(qū)動(dòng)低電平接收數(shù)據(jù)位時(shí)必須釋放SDA讓從設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送應(yīng)答位時(shí)根據(jù)是ACK還是NACK決定是否驅(qū)動(dòng)低電平。我在代碼里把SDA的輸出使能邏輯放在三段式狀態(tài)機(jī)的第三段根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和要發(fā)送的數(shù)據(jù)位來(lái)賦值always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sda_out_en 1b0; end else begin case (state) SEND_ADDR, SEND_REG, SEND_DATA: begin sda_out_en ~tx_data[bit_cnt]; end ACK_ADDR, ACK_REG, ACK_DATA, READ_DATA: begin sda_out_en 1b0; end SEND_ACK: begin sda_out_en ~ack_bit; end default: begin sda_out_en 1b0; end endcase end end這段代碼的邏輯是發(fā)送狀態(tài)時(shí)如果當(dāng)前數(shù)據(jù)位是0則驅(qū)動(dòng)低電平sda_out_en 1如果數(shù)據(jù)位是1則釋放總線sda_out_en 0。接收狀態(tài)時(shí)始終釋放總線。發(fā)送應(yīng)答時(shí)ACK驅(qū)動(dòng)低電平NACK釋放總線。4.3 輸入采樣與同步處理SDA和SCL作為輸入信號(hào)從外部引腳進(jìn)入FPGA后需要做同步處理避免亞穩(wěn)態(tài)。通常用兩級(jí)觸發(fā)器打拍always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin sda_sync1 1b1; sda_sync2 1b1; scl_sync1 1b1; scl_sync2 1b1; end else begin sda_sync1 sda_in; sda_sync2 sda_sync1; scl_sync1 scl_in; scl_sync2 scl_sync1; end end同步之后的信號(hào)再用于狀態(tài)機(jī)的采樣邏輯。注意采樣SDA的時(shí)機(jī)——在SCL高電平期間采樣而且要在SCL穩(wěn)定之后。我通常用scl_sync2的上升沿作為采樣觸發(fā)條件在上升沿之后延遲幾個(gè)時(shí)鐘周期再采樣SDA確保信號(hào)穩(wěn)定。5. 時(shí)鐘分頻與I2C時(shí)序參數(shù)計(jì)算5.1 時(shí)鐘分頻系數(shù)的計(jì)算方法I2C的SCL頻率由主機(jī)時(shí)鐘分頻得到。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為50MHz目標(biāo)SCL頻率為100kHz標(biāo)準(zhǔn)模式分頻系數(shù)為分頻系數(shù) 系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 / (2 × SCL頻率) 50,000,000 / (2 × 100,000) 250為什么是2倍因?yàn)镾CL的一個(gè)完整周期包括高電平和低電平各一半分頻計(jì)數(shù)器需要計(jì)到250時(shí)翻轉(zhuǎn)一次SCL電平這樣SCL的周期就是500個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)100kHz。對(duì)于快速模式400kHz分頻系數(shù)為分頻系數(shù) 50,000,000 / (2 × 400,000) 62.5取整為62或63。取62時(shí)SCL頻率約為403kHz取63時(shí)約為397kHz都在400kHz的容差范圍內(nèi)。我一般取63稍微慢一點(diǎn)更穩(wěn)妥。5.2 時(shí)序參數(shù)的規(guī)范要求I2C規(guī)范對(duì)時(shí)序有明確要求標(biāo)準(zhǔn)模式下START條件的建立時(shí)間最小4.7微秒START條件的保持時(shí)間最小4.0微秒STOP條件的建立時(shí)間最小4.0微秒數(shù)據(jù)建立時(shí)間最小250納秒數(shù)據(jù)保持時(shí)間最小0納秒但實(shí)際建議留足余量。這些參數(shù)在RTL里通過(guò)延時(shí)計(jì)數(shù)器來(lái)保證。比如START條件的建立時(shí)間在IDLE狀態(tài)檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后先等待一個(gè)4.7微秒的計(jì)數(shù)器然后再拉低SDA。4.7微秒在50MHz時(shí)鐘下對(duì)應(yīng)235個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器計(jì)到235即可。數(shù)據(jù)保持時(shí)間的處理稍微復(fù)雜一些。I2C規(guī)范要求數(shù)據(jù)在SCL下降沿之后保持至少0納秒但實(shí)際上為了穩(wěn)定我通常讓數(shù)據(jù)在SCL下降沿之后繼續(xù)保持半個(gè)時(shí)鐘周期再變化。這樣從設(shè)備有足夠的時(shí)間鎖存數(shù)據(jù)。5.3 時(shí)鐘拉伸的處理時(shí)鐘拉伸是I2C的一個(gè)特性從設(shè)備可以通過(guò)拉低SCL來(lái)暫停主機(jī)的時(shí)鐘給自己爭(zhēng)取處理時(shí)間。主模式控制器必須支持這個(gè)特性否則在某些從設(shè)備比如EEPROM在寫(xiě)周期內(nèi)上會(huì)出錯(cuò)。處理時(shí)鐘拉伸的邏輯是主機(jī)釋放SCL之后檢測(cè)SCL是否真的變高了。如果SCL被從設(shè)備拉低主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)直到SCL變高才繼續(xù)。在RTL里這通過(guò)檢測(cè)scl_sync2的上升沿來(lái)實(shí)現(xiàn)always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin scl_stretch 1b0; end else begin if (scl_out_en 1b0 scl_sync2 1b0) scl_stretch 1b1; else if (scl_sync2 1b1) scl_stretch 1b0; end end當(dāng)scl_stretch為1時(shí)狀態(tài)機(jī)暫停在當(dāng)前位置不進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移直到SCL釋放。6. 讀寫(xiě)操作的完整流程與代碼實(shí)現(xiàn)6.1 寫(xiě)操作的流程拆解寫(xiě)操作是最基本的I2C事務(wù)流程如下發(fā)送START條件發(fā)送設(shè)備地址加寫(xiě)位0等待ACK發(fā)送寄存器地址等待ACK發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)等待ACK發(fā)送STOP條件。每一步在狀態(tài)機(jī)里都有對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。以寫(xiě)一個(gè)字節(jié)到EEPROM的寄存器為例狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列是IDLE → START → SEND_ADDR → ACK_ADDR → SEND_REG → ACK_REG → SEND_DATA → ACK_DATA → STOP → IDLE。在SEND_ADDR狀態(tài)狀態(tài)機(jī)把設(shè)備地址和寫(xiě)位組成一個(gè)8位數(shù)據(jù)逐位發(fā)送。位計(jì)數(shù)器從7遞減到0每次發(fā)送最高位。發(fā)送完8位后進(jìn)入ACK_ADDR狀態(tài)釋放SDA在SCL的第9個(gè)周期采樣SDA如果為0表示從設(shè)備應(yīng)答繼續(xù)如果為1表示NACK進(jìn)入錯(cuò)誤處理或直接STOP。6.2 讀操作的流程拆解讀操作比寫(xiě)操作多一個(gè)重復(fù)起始條件。流程是發(fā)送START發(fā)送設(shè)備地址加寫(xiě)位等待ACK發(fā)送寄存器地址等待ACK發(fā)送重復(fù)START發(fā)送設(shè)備地址加讀位1等待ACK讀取數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送NACK發(fā)送STOP。注意讀操作的最后一個(gè)字節(jié)主機(jī)必須發(fā)送NACK。在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)last_byte信號(hào)決定發(fā)送ACK還是NACK。如果是最后一個(gè)字節(jié)ack_bit置1NACK釋放SDA否則ack_bit置0ACK驅(qū)動(dòng)SDA低。6.3 關(guān)鍵代碼片段與注釋下面是狀態(tài)機(jī)第三段輸出邏輯的核心代碼展示了SCL和SDA的輸出使能如何根據(jù)狀態(tài)生成always (posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end else begin case (state) IDLE: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end START: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b1; end SEND_ADDR, SEND_REG, SEND_DATA: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en ~tx_data[bit_cnt]; end ACK_ADDR, ACK_REG, ACK_DATA, READ_DATA: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en 1b0; end SEND_ACK: begin scl_out_en ~scl_phase; sda_out_en ~ack_bit; end STOP: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end default: begin scl_out_en 1b0; sda_out_en 1b0; end endcase end end其中scl_phase是SCL的相位信號(hào)由分頻計(jì)數(shù)器生成0表示SCL低電平階段1表示高電平階段。scl_out_en ~scl_phase表示在SCL低電平階段驅(qū)動(dòng)低電平高電平階段釋放總線。7. 仿真驗(yàn)證與上板調(diào)試的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)7.1 仿真環(huán)境的搭建I2C控制器的仿真需要一個(gè)從設(shè)備模型來(lái)響應(yīng)主機(jī)的讀寫(xiě)請(qǐng)求。我通常用Verilog寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的EEPROM模型支持隨機(jī)讀寫(xiě)和ACK響應(yīng)。仿真平臺(tái)包括時(shí)鐘和復(fù)位生成、主機(jī)控制器實(shí)例化、從設(shè)備模型實(shí)例化、總線上的上拉電阻模擬用pullup語(yǔ)句。仿真用例要覆蓋單字節(jié)寫(xiě)、單字節(jié)讀、多字節(jié)連續(xù)寫(xiě)、多字節(jié)連續(xù)讀、NACK響應(yīng)處理、時(shí)鐘拉伸場(chǎng)景。每個(gè)用例都要檢查總線上的時(shí)序是否符合規(guī)范數(shù)據(jù)是否正確。7.2 邏輯分析儀抓波形的技巧上板調(diào)試的時(shí)候邏輯分析儀是必不可少的工具。我用的是Saleae Logic或者類似的工具采樣率至少設(shè)到10MHz以上才能看清100kHz SCL的細(xì)節(jié)。抓波形的時(shí)候重點(diǎn)看幾個(gè)地方START條件的建立時(shí)間是否足夠SDA在SCL高電平期間是否穩(wěn)定ACK位的采樣點(diǎn)是否正確STOP條件的時(shí)序是否規(guī)范。如果發(fā)現(xiàn)從設(shè)備不響應(yīng)先檢查設(shè)備地址是否正確——7位地址左移一位再加讀寫(xiě)位很多人在這里搞錯(cuò)。7.3 常見(jiàn)問(wèn)題速查表問(wèn)題現(xiàn)象可能原因排查方法從設(shè)備完全不響應(yīng)設(shè)備地址錯(cuò)誤用邏輯分析儀抓SDA波形核對(duì)地址位第一個(gè)字節(jié)ACK正常后續(xù)NACK寄存器地址錯(cuò)誤檢查寄存器地址是否在從設(shè)備支持范圍內(nèi)SCL無(wú)輸出輸出使能邏輯錯(cuò)誤檢查scl_out_en是否在正確狀態(tài)置位SDA一直被拉低三態(tài)驅(qū)動(dòng)沖突檢查是否有多個(gè)設(shè)備同時(shí)驅(qū)動(dòng)SDA讀數(shù)據(jù)全為1從設(shè)備未驅(qū)動(dòng)SDA檢查主機(jī)是否在READ_DATA狀態(tài)釋放了SDA總線掛死缺少STOP條件檢查狀態(tài)機(jī)是否有超時(shí)退出機(jī)制8. 踩坑記錄與設(shè)計(jì)優(yōu)化建議8.1 我踩過(guò)的三個(gè)典型坑第一個(gè)坑是起始條件建立時(shí)間不足。早期版本直接從IDLE跳到STARTSDA拉低的時(shí)候SCL剛穩(wěn)定建立時(shí)間只有幾個(gè)時(shí)鐘周期。從設(shè)備偶爾能識(shí)別偶爾不能。后來(lái)在IDLE狀態(tài)加了延時(shí)計(jì)數(shù)器確?？偩€空閑時(shí)間超過(guò)4.7微秒再發(fā)起始條件問(wèn)題解決。第二個(gè)坑是讀操作最后一個(gè)字節(jié)忘了發(fā)NACK。從設(shè)備收到ACK后繼續(xù)輸出下一個(gè)字節(jié)但主機(jī)已經(jīng)進(jìn)入STOP狀態(tài)總線沖突。后來(lái)加了last_byte信號(hào)在SEND_ACK狀態(tài)根據(jù)這個(gè)信號(hào)決定ACK還是NACK。第三個(gè)坑是時(shí)鐘拉伸處理不完整。主機(jī)釋放SCL后沒(méi)有檢測(cè)SCL是否真的變高直接進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。在EEPROM寫(xiě)周期內(nèi)從設(shè)備拉低SCL主機(jī)卻繼續(xù)跑狀態(tài)機(jī)導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)亂。后來(lái)加了scl_stretch檢測(cè)邏輯SCL被拉低時(shí)狀態(tài)機(jī)暫停。8.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化方向如果要把這個(gè)控制器做得更完善可以考慮幾個(gè)方向第一加超時(shí)機(jī)制總線掛死時(shí)自動(dòng)復(fù)位狀態(tài)機(jī)第二支持多主機(jī)仲裁檢測(cè)SDA與自身輸出不一致時(shí)退出仲裁第三加FIFO緩沖支持連續(xù)多字節(jié)讀寫(xiě)而不需要上層頻繁干預(yù)第四參數(shù)化設(shè)計(jì)SCL頻率、地址位寬、數(shù)據(jù)位寬都可配置。8.3 給初學(xué)者的建議如果你剛開(kāi)始做I2C主控制器我的建議是先用三段式狀態(tài)機(jī)把基本讀寫(xiě)跑通再逐步加功能。不要一上來(lái)就追求大而全先把單字節(jié)寫(xiě)和單字節(jié)讀調(diào)穩(wěn)定。仿真的時(shí)候一定要寫(xiě)從設(shè)備模型不要只靠上板調(diào)試。邏輯分析儀抓波形的時(shí)候先看SCL再看SDASCL是節(jié)奏SDA是內(nèi)容節(jié)奏對(duì)了內(nèi)容才好排查。我在實(shí)際項(xiàng)目里用這套架構(gòu)做過(guò)EEPROM控制器、傳感器采集控制器、OLED驅(qū)動(dòng)控制器基本沒(méi)出過(guò)大問(wèn)題。關(guān)鍵就是把狀態(tài)機(jī)寫(xiě)規(guī)范把三態(tài)驅(qū)動(dòng)處理干凈把時(shí)序參數(shù)算準(zhǔn)確。這三件事做好了I2C主模式控制器就穩(wěn)了。