I2C Master

1.概述

I2C是一种简单的串行通讯总线，由飞利浦公司在1980年代为让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展。自2006年11月起，I2C协议是可以被免费使用的，但是芯片厂商仍需要付费以获得I2C从属设备的地址。 I2C只使用两条双向漏极开路（串行数据SDA与串行时钟SCL）并利用电阻进行上拉，I2C允许相当大的工作电压范围，但典型电压等级为+3.3V或者5V。其设备地址包含7bit长度与10bit长度。I2C传输速率有不同的模式：

  • 标准模式：100Kbit/s
  • 低速模式：10Kbit/s
  • 快速模式：400Kbit/s
  • 高速模式：3.4Mbit/s

本IP的设计旨在使用户能够高效进行开发，减少开发周期。支持7位设备地址与标准/快速/低速模式，暂不支持10位地址操作模式，若相关器件性能支持，该IP也可运行在3.4Mbit/s(所使用的FPGA IO建立时间需满足时序要求)。

:!:注意，该IP仅限学习与交流使用。

2.I2C Master 特性

  • 符合Philips I2C标准
  • 支持主动挂起I2C总线进入等待状态
  • 支持多种传输速率
  • 支持重复读/写操作
  • 支持非标准I2C设备（如无寄存器地址操作）
  • 提供ACK触发信号
  • 提供状态调试寄存器

3.IP结构



I2CMasterCore由4部分组成，分别为i2cmaster, i2cmasterconfig, i2cmasterlogic与clkdiv，功能分别如下：

  • i2cmaster : 为内核的top module，调用所有module并建立连接。 * i2cmasterconfig : 为内核配置module, 用户可修改该module实现i2c通信。 * i2cmasterlogic : 为内部逻辑实现module，若预设操作模式没有涵盖到某种I2C设备，你可以自行修改该module中的内容，建立一种新的状态跳变模式。
    * clk    civ : 时钟分频module，可进行任意整数分频，点击详细了解。

4.Signal & I/O Ports

4.1 i2c_master_logic Module

i2cmasterlogic Module是I2C Master Core逻辑实现部分，所包含接口如下所示：

clk_in

时钟输入信号，该信号直接影响I2C总线工作频率，典型输入频率为100Kbit/s，可使I2C总线工作在100K标准模式下，如果从机设备支持快速或高速模式，该时钟频率可响应输入更高频率，如400Kbit/s或者3.4Mbit/s。

rst_n

复位输入信号，该信号为被拉低时，电路进入复位状态。

scl&sda

I2C通讯总线，硬件电路需配置为上拉，管脚约束建议同样调整为为上拉。

i2c_read_data

该寄存器用于存储主机在从机中读取到的数据。

i2c_device_address

该信号为从机设备地址，暂只支持7位的设备地址。

i2c_reg_address

该信号为读/写操作目标寄存器的地址，由外部输入。

i2c_write_reg_data

该信号为I2C写入目标寄存器数据，由外部输入。

i2c_config

该信号为配置I2C工作模式的外部输入信号，本I2C Master IP核支持如下工作模式，分别对应输入信号为：

  • i2cconfig = 8h00** : I2C挂起，进入等待模式(WAIT)，等待状态下主机将SCL拉高并释放SDA总线。 * **i2c_config = 8h01 : I2C单次写入模式(I2CSingleWriteByte)，标准1Byte数据写入模式。 * i2cconfig = 8h02** : I2C连续写入模式(I2C_Continuous_Write_Byte)，主机对从机目标寄存器进行连续写入1Byte的数据，当主机发送到从机的1Byte数据并接受到ACK信号时，不会停止I2C总线，而是继续写入1Byte数据。该模式不会主动停止。 * **i2c_config = 8h03 : I2C直接写入状态(I2CWriteDirectly)，主机直接对从机设备进行1Byte的数据写入，即成功访问到设备并接受到ACK信号之后，直接写入8bit的数据即可。 * i2cconfig = 8h04** : I2C单次读取状态(I2C_Single_Read_Byte)，标准1Byte数据读取模式。 * **i2c_config = 8h05 : I2C连续读取状态(I2CContinuousReadByte)，主机对从机目标寄存器进行连续的数据读取操作，即在通讯的过程中，主机成功读取从机目标寄存器数据后，不会发送NACK信号，而是发送ACK信号并再次读取从机目标寄存器的数据。 * i2cconfig= 8`h06** : I2C直接读取状态(I2CReadDirectly)，主机对从机设备进行直接读取数据操作，即成功访问到设备并接受到ACK信号后，直接再次进行START模式，进行数据的读取。 == statedebug == 该信号为程序运行状态指示寄存器。 i2cack:该信号为响应指示信号，对应关系如下： * i2cack[0] : 写入设备地址从机响应位 * i2cack[1] : 写入寄存器地址从机响应位 * i2cack[2] : 写入寄存器数据从机响应位 * i2cack[3] : 读取寄存器地址从机响应位 * i2cack[4] : 成功读取寄存数据后主机发送ACK * i2cack[5] : 成功读取寄存器数据后主机发送NACK * i2cack[4] : 预留，默认值为0 * i2c_ack[5] : 预留，默认值为0 ==== 4.2 i2cmasterconfig module ==== i2cmasterconfig module是主要功能为对I2C运行模式及寄存器地址、数据进行配置。相关寄存器与i2cmasterlogic module相同，在此不在赘述。 ==== 4.3 clk_div module ==== 本module为时钟分频模块，通过对系统时钟信号进行分频可生成I2C所需时钟，你可以点击此处了解该clk_div module的详细说明。 ===== 相关资料下载 ===== User Gudie : step_i2c_master_user_guide.pdf
    源码：i2c_master.zip