基于I2C接口协议 EEPROM的读写测试 FPGA

【基于I2C接口协议 EEPROM的读写测试】1. EEPROM简介

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开发板板载了一片EEPROM，型号为24LC04,容量为：4Kbit（2* 256*8bit），由2个256byte的block组成,通过IIC总线进行通信。板载EEPROM就是为了学习IIC总线的通信方式。EEPROM一般用在仪器仪表等设计上，用作一些参数的存储，掉电不丢失。这种芯片操作简单，具有极高的性价比，所以虽然容量比高，但价格非常便宜，对于那些对成本要求很高的产品来说，是个不错的选择。图为EEPROM的原理图

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SCL连接I2C的clk引脚，SDA为数据引脚（双向），这两个端口同时也接了上拉电阻。WP为写/读引脚，由电平高低来控制。

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2. I2C通讯协议
I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C 总线只有两根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。由于其管脚少，硬件实现简单，可扩展性强等特点，因此被广泛的使用在各大集成芯片内。下面我们就从I2C 的物理层与协议层来了解I2C。
A 它的物理层有如下特点：
（1）它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在
一个I2C 通讯总线中，可连接多个I2C 通讯设备，支持多个通讯主机及多个通
讯从机。
（2）一个I2C 总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
（3）每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
（4）总线通过上拉电阻接到电源。当I2C 设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
（5）多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
（6）具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s，快速模式为
400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s，但目前大多I2C 设备尚不支持高速模式。
（7）连接到相同总线的IC 数量受到总线的最大电容400pF 限制。
B I2C的协议层如下：
I2C 的协议定义了通信的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。下面我们就来简单介绍下。

I2C是一种==半双工==的通讯方式，由==两根总线==组成，即SDA和SCL

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①：I2C的SDA和SCL两条信号线同时处于高电平时（可由上拉电阻拉高），规定总线的空闲状态。
②+③：如下图，启动信号和时序信号是一种电平跳变的时序信号，而不是电平信号

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④：数据在SCL的上升沿到来之前就需要准备好，并在下降沿到来之前必须稳定。只有在SCL低电平时才能改变SDA电平状态

⑤：应答信号（ACK）
每当发送器件传输完一个字节的数据后，后面必须紧跟一个校验位，这个校验位是接收端通过控制SDA（数据线）来实现的，以提醒发送端数据我这边已经接收完成，数据传送可以继续进行。这个校验位其实就是数据或地址传输过程中的响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C 传输的一个字节数据或地址后，若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号即特定的低电平脉冲，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号即特定的高电平脉冲，发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。应答响应时序图如下：

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每一个字节必须保证是8 位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9 位）。
如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答” 通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。
当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。
这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。
3.I2C的寻址方式
I2C 总线寻址按照从机地址位数可分为两种，一种是7 位，另一种是10位。采用7 位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）的位定义如下：

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D7～D1 位组成从机的地址。D0 位是数据传送方向位，为“ 0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。
10 位寻址和7 位寻址兼容，而且可以结合使用。10 位寻址不会影响已有的7 位寻址，有7 位和10 位地址的器件可以连接到相同的I2C 总线。我们就以7 位寻址为例进行介绍。
当主机发送了一个地址后，总线上的每个器件都将头7 位与它自己的地址比较，如果一样，器件会判定它被主机寻址，其他地址不同的器件将被忽略后面的数据信号。至于是从机接收器还是从机发送器，都由R/W 位决定的。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。如一个从机的7 位寻址位有4 位是固定位，3 位是可编程位，这时仅能寻址8 个同样的器件，即可以有8 个同样的器件接入到该I2C 总线系统中。
4.数据传输
I2C 总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。在起始信号后必须传送一个从机的地址（7 位），第8 位是数据的传送方向位（R/W），用“ 0”表示主机发送（写）数据（W），“ 1”表示主机接收数据（R）。每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。
在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：
a、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：