软件版本：VIVADO2017.4 操作系统：WIN10 64bit 硬件平台：适用米联客 ZYNQ系列开发板 米联客(MSXBO)论坛：www.osrc.cn答疑解惑专栏开通，欢迎大家给我提问！！ 11.1 概述 我们知道I2C总线具备广泛的用途，比如寄存器的配置，EEPROM的使用，更重要的是I2C总线上可以挂载非常多的外设。 对于一些低速器件的访问非常节省IO资源，由于是标准的总线接口，使用起来非常方便。I2C总线是OC开路，支持双向传输，所以总线上需要上拉电阻，如下图。 
11.2 I2C总线协议 由于节课讲解的I2C是基于ZYNQ的I2C控制器，实际上可以不需要非常清楚I2C的详细时序，但是作为初学者，如果第一次学习I2C总线的，还是有必要学习下。 I2C协议把传输的消息分为两种类型的帧： 一个地址帧 ：用于master指明消息发往哪个slave； 一个或多个数据帧： 由master发往slave的数据（或由slave发往master），每一帧是8-bit的数据。 注：协议要求每次放到SDA上的字节长度必须为8位，并且每个字节后须跟一个ACK位，在下面会讲到。 数据在SCL处于低电平时放到SDA上，并在SCL变为高电平后进行采样。读写数据和SCL上升沿之间的时间间隔是由总线上的设备自己定义的，不同芯片可能有差异。 I2C数据传输的时序图如下： 
开始条件（start condition）： 为了标识传输正式启动，master设备会将SCL置为高电平（当总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态），然后将SDA拉低，这样，所有slave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。在整个通信期间，可以存在多个start来开启每一次新的通信序列（communication sequence），而无需先放弃总线的控制权，后面会讲到这种机制。
地址帧（address frame）： 地址帧总是在一次通信的最开始出现。一个7-bit的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟1-bit的操作符，1表示读操作，0表示写操作。 接下来的一个bit是NACK/ACK，当这个帧中前面8bits发送完后，接收端的设备获得SDA控制权，此时接收设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK（将SDA拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由master来决定如何处理（stop或repeated start condition）。
数据帧（data frames）： 在地址帧发送之后，就可以开始传输数据了。Master继续产生时钟脉冲，而数据则由master（写操作）或slave（读操作）放到SDA上。每个数据帧8bits，数据帧的数量可以是任意的，直到产生停止条件。每一帧数据传输（即每8-bit）之后，接收方就需要回复一个ACK或NACK（写数据时由slave发送ACK，读数据时由master发送ACK。当master知道自己读完最后一个byte数据时，可发送NACK然后接stop condition）。
停止条件（stop condition）： 当所有数据都发送完成时，master将产生一个停止条件。停止条件定义为：在SDA置于低电平时，将SCL拉高并保持高电平，然后将SDA拉高。 注意，在正常传输数据过程中，当SCL处于高电平时，SDA上的值不应该变化，防止意外产生一个停止条件。
重复开始条件（repeated start condition）： 有时master需要在一次通信中进行多次消息交换（例如与不同的slave传输消息，或切换读写操作），并且期间不希望被其他master干扰，这时可以使用“重复开始条件” —— 在一次通信中，master可以产生多次start condition，来完成多次消息交换，最后再产生一个stop condition结束整个通信过程。由于期间没有stop condition，因此master一直占用总线，其他master无法切入。 为了产生一个重复的开始条件，SDA在SCL低电平时拉高，然后SCL拉高。接着master就可以产生一个开始条件继续新的消息传输（按照正常的7-bit/10-bit地址传输时序）。重复开始条件的传输时序如下图所示： 
时钟拉伸（clock stretching）： 有时候，低速slave可能由于上一个请求还没处理完，尚无法继续接收master的后续请求，即master的数据传输速率超过了slave的处理能力。这种情况下，slave可以进行时钟拉伸来要求master暂停传输数据 —— 通常时钟都是由master提供的，slave只是在SDA上放数据或读数据。而时钟拉伸则是slave在master释放SCL后，将SCL主动拉低并保持，此时要求master停止在SCL上产生脉冲以及在SDA上发送数据，直到slave释放SCL（SCL为高电平）。之后，master便可以继续正常的数据传输了。可见时钟拉伸实际上是利用了时钟同步的机制（见下文），只是时钟由slave产生。 如果系统中存在这种低速slave并且slave实现了clock stretching，则master必须实现为能够处理这种情况，实际上大部分slave设备中不包含SCL驱动器的，因此无法拉伸时钟。 所以更完整的I2C数据传输时序图为： 
10-bit地址空间： 上面讲到I2C支持10-bit的设备地址，此时的时序如下图所示： 
在10-bit地址的I2C系统中，需要两个帧来传输slave的地址。第一个帧的前5个bit固定为b11110，后接slave地址的高2位，第8位仍然是R/W位，接着是一个ACK位，由于系统中可能有多个10-bit slave设备地址的高2bit相同，因此这个ACK可能由多有slave设备设置。第二个帧紧接着第一帧发送，包含slave地址的低8位（7:0），接着该地址的slave回复一个ACK（或NACK）。 注意，10-bit地址的设备和7-bit地址的设备在一个系统中是可以并存的，因为7-bit地址的高5位不可能是b11110。实际上对于7-bit的从设备地址，合法范围为b0001XXX-b1110XXX，’X’表示任意值，因此该类型地址最多有112个（其他为保留地址[1]）。 两个地址帧传输完成后，就开始数据帧的传输了，这和7-bit地址中的数据帧传输过程相同。
时钟同步和仲裁： 如果两个master都想在同一条空闲总线上传输，此时必须能够使用某种机制来选择将总线控制权交给哪个master，这是通过时钟同步和仲裁来完成的，而被迫让出控制权的master则需要等待总线空闲后再继续传输。在单一master的系统上无需实现时钟同步和仲裁。
时钟同步： 时钟同步是通过I2C接口和SCL之间的线“与”（wired-AND）来完成的，即如果有多个master同时产生时钟，那么只有所有master都发送高电平时，SCL上才表现为高电平，否则SCL都表现为低电平。
总线仲裁： 总线仲裁和时钟同步类似，当所有master在SDA上都写1时，SDA的数据才是1，只要有一个master写0，那此时SDA上的数据就是0。一个master每发送一个bit数据，在SCL处于高电平时，就检查看SDA的电平是否和发送的数据一致，如果不一致，这个master便知道自己输掉仲裁，然后停止向SDA写数据。也就是说，如果master一直检查到总线上数据和自己发送的数据一致，则继续传输，这样在仲裁过程中就保证了赢得仲裁的master不会丢失数据。 输掉仲裁的master在检测到自己输了之后也不再产生时钟脉冲，并且要在总线空闲时才能重新传输。 仲裁的过程可能要经过多个bit的发送和检查，实际上两个master如果发送的时序和数据完全一样，则两个master都能正常完成整个的数据传输。 11.3 EEPROM 24C02介绍经过上面对I2C总线的介绍，下面我们介绍EEPROM 24C02的I2C总线读写控制。 如下图，A0-A2是EEPROM I2C器件地址，SDA和SCL是EEPROM I2C总线SLAVE接口，WP是保护脚，一般接VCC。 
24LXX 器件地址如下图 
我们看下24C02的写时序，可以看到，支持单个字节的写，以及多个字节的写。首先发送器件的地址，然后发送需要写EEPROM存储空间的地址，之后就是数据，对于读操作一次可以写1个字节或者多个字节。 
我们看下24C02的读时序，可以看到，支持单个字节的读，以及多个字节的读。以下支持3种读的方式： 第一种：CURRENT ADDRESS READ 只要发送器件地址就能读数据 第二种：RANDOM READ 需要发送器件地址，然后发送内存地址，之后再发送器件地址并且读取到数据，支持连续读取。 第三种：SEQUENTIAL CURRENT READ 只要发送器件地址，就能连续读取当前地址的数据，支持连续读取。 教程代码中采用的是第二种方法。 
11.4 FPGA BD工程 为了提高学习效率，从本课开始只讲解搭建BD工程以及IP的关键参数配置，搭建FPGA BD工程的重复步骤不再详细讲解，如果有不清楚的，请认真学习本章节前面的课程内容。 
做这个实验必须勾选支持I2C控制器,通过EMIO的方式引出I2C总线。EEPROM模块连线就可以完成实验。对于初学者需要注意，EMIO是FPGA的PIN脚因此需要添加XDC文件约束FPGA PIN脚。  另外为了完本课程实验，需要选择购买EEPROM模块。对于MZ7XA-7010(mini)/MZ7XA-7020/MZ7XB-7020开发板具有板载的IO扩展，只要正确和EEPROM模块对接就能完成此实验。 11.5 I2C Polled方式读写EEPROM11.5.1 I2c 控制器
PS支持两个具有以下主要功能的I2C设备： I2C总线规范版本2 支持16字节FIFO 可编程的正常和快速总线数据速率 主模式 -写转移 -读取转移 -扩展地址支持 -支持缓慢处理器服务的HOLD -支持中断 从模式 
11.5.2 I2cPs_Polled.c我们米联客(MSXBO)编写了两种读写EEPROM的方式，并且封装成子函数方便用户调用。我们先看代码。 include "I2cPs_Polled.h" #include "sleep.h" int I2cPs_init(XIicPs *I2C_Ptr,u16 DeviceId) { int Status; XIicPs_Config *Config;
/* * Initialize the IIC driver so that it's ready to use * Look up the configuration in the config table, then initialize it. */ Config = XIicPs_LookupConfig(DeviceId); if (NULL == Config) { return XST_FAILURE; }
Status = XIicPs_CfgInitialize(I2C_Ptr, Config, Config->BaseAddress); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; }
/* * Perform a self-test to ensure that the hardware was built correctly. */ Status = XIicPs_SelfTest(I2C_Ptr); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; }
/* * Set the IIC serial clock rate. */ XIicPs_SetSClk(I2C_Ptr, IIC_SCLK_RATE);
return XST_SUCCESS; }
void I2cPs_write(XIicPs *I2C_Ptr, u8 *MsgPtr, s32 ByteCount, u16 SlaveAddr) {
XIicPs_MasterSendPolled(I2C_Ptr, MsgPtr, ByteCount, SlaveAddr);
while (XIicPs_BusIsBusy(I2C_Ptr)) { } usleep(2000);
}
void I2cPs_read(XIicPs *I2C_Ptr, u8 *MsgPtr, s32 ByteCount, u16 SlaveAddr) { XIicPs_MasterRecvPolled(I2C_Ptr, MsgPtr, ByteCount, SlaveAddr); while (XIicPs_BusIsBusy(I2C_Ptr)) { } usleep(2000);
}
|
I2cPs_init 函数负责初始化I2C控制器,关键是初始化了I2C控制的速度XIicPs_SetSClk(I2C_Ptr, IIC_SCLK_RATE)。 I2cPs_write 函数顾名思义是实现I2C的写数据 I2cPs_read 函数顾名思义是实现I2C的读数据 11.5.3 eeprom.c/* * si570.c * */
#include "eeprom.h"
#include "sleep.h"
void eeprom_test() { int i; for(i=1;i<9;i++) eeprom_wbuf[i]=i; xil_printf("write eeprom 24lc02 I2C polled\r\n"); write_eeprom(0,8);
xil_printf("read eeprom 24lc02 I2C polled\r\n"); read_eeprom(0,8);
for(i=0;i<8;i++) xil_printf("%d\r\n",eeprom_rbuf[i]);
}
void read_eeprom(u8 addr,u8 len) { eeprom_wbuf[0]=addr; I2cPs_write(&Iic,eeprom_wbuf, 1, EEPROM_ADDR); I2cPs_read (&Iic,eeprom_rbuf, len, EEPROM_ADDR); }
void write_eeprom(u8 addr,u8 len) { eeprom_wbuf[0]=addr; I2cPs_write(&Iic,eeprom_wbuf,len+1,EEPROM_ADDR); }
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这个函数中，实现对EEPROM 24C02的读写操作，并且打印读出的结果。这里需要注意的是掌握24CXX EEPROM的读写控制。 如下图所示，程序中写操作是Page Write连续写入1个器件地址，1个寄存器首地址，8个有效数据。其中器件地址就是EEPROM_ADDR。而寄存地址首就是eeprom_wbuf[0],有效数据是eeprom_wbuf[1]~eeprom_wbuf[8]。 
如下图所示，再看读操作，读操作的时候写寄存器地址，eeprom_wbuf[0]就是寄存器地址，然后再启动读函数读数据，读数据是保存在eeprom_rbuf中 ，在eeprom_rbuf中，一次可以读到8个字节数据。 
11.5.4 main.c
/* * * www.osrc.cn * www.milinker.com * */
#include "I2cPs_Polled.h"
#include "eeprom.h"
int main(void) {
I2cPs_init(&Iic,IIC_DEVICE_ID); eeprom_test();
return 0; } |
在main.c文件里面实现了 I2C接口的初始化，之后调用eeprom_test函数对eeprom测试。 11.6 I2C中断方式读写EEPROM11.6.1 I2cPs_intr.c/* * i2c_intr.c * */
#include "I2cPs_intr.h"
int I2cPs_init(XIicPs *I2C_Ptr,u16 DeviceId) { int Status; XIicPs_Config *Config;
/* * Initialize the IIC driver so that it's ready to use * Look up the configuration in the config table, then initialize it. */ Config = XIicPs_LookupConfig(DeviceId); if (NULL == Config) { return XST_FAILURE; }
Status = XIicPs_CfgInitialize(I2C_Ptr, Config, Config->BaseAddress); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; }
/* * Perform a self-test to ensure that the hardware was built correctly. */ Status = XIicPs_SelfTest(I2C_Ptr); if (Status != XST_SUCCESS) { return XST_FAILURE; }
/* * Setup the handlers for the IIC that will be called from the * interrupt context when data has been sent and received, specify a * pointer to the IIC driver instance as the callback reference so * the handlers are able to access the instance data. */ XIicPs_SetStatusHandler(I2C_Ptr, (void *)I2C_Ptr, I2cPs_Handler);
/* * Set the IIC serial clock rate. */ XIicPs_SetSClk(I2C_Ptr, IIC_SCLK_RATE);
return XST_SUCCESS; }
void I2cPs_write(XIicPs *I2C_Ptr, u8 *MsgPtr, s32 ByteCount, u16 SlaveAddr) {
while (XIicPs_BusIsBusy(I2C_Ptr)) { /* NOP */ }
SendComplete = FALSE;
/* * Send the buffer, errors are reported by TotalErrorCount. */ XIicPs_MasterSend(I2C_Ptr, MsgPtr, ByteCount, SlaveAddr);
/* * Wait for the entire buffer to be sent, letting the interrupt * processing work in the background, this function may get * locked up in this loop if the interrupts are not working * correctly. */ while (!SendComplete) { if (0 != TotalErrorCount) { xil_printf("I2C write error! %d\r\n", TotalErrorCount); return; } }
}
void I2cPs_read(XIicPs *I2C_Ptr, u8 *MsgPtr, s32 ByteCount, u16 SlaveAddr) {
while (XIicPs_BusIsBusy(I2C_Ptr)) { /* NOP */ }
/* * Receive data from slave, errors are reported through * TotalErrorCount. */ RecvComplete = FALSE;
XIicPs_MasterRecv(I2C_Ptr, MsgPtr, ByteCount, SlaveAddr);
while (!RecvComplete) { if (0 != TotalErrorCount) { xil_printf("I2C read error! %d\r\n", TotalErrorCount); return; } }
}
int I2cPs_Setup_IntrSystem(XScuGic * GicInstancePtr , XIicPs *I2C_Ptr ,u16 I2cIntrId) { int Status;
Status = XScuGic_Connect(GicInstancePtr, I2cIntrId, (Xil_InterruptHandler)XIicPs_MasterInterruptHandler, (void *)I2C_Ptr); if (Status != XST_SUCCESS) { return Status; }
XScuGic_Enable(GicInstancePtr, I2cIntrId); return XST_SUCCESS; }
/*****************************************************************************/ /** * * This function is the handler which performs processing to handle data events * from the IIC. It is called from an interrupt context such that the amount * of processing performed should be minimized. * * This handler provides an example of how to handle data for the IIC and * is application specific. * * @param CallBackRef contains a callback reference from the driver, in * this case it is the instance pointer for the IIC driver. * @param Event contains the specific kind of event that has occurred. * * @return None. * * @note None. * *******************************************************************************/ void I2cPs_Handler(void *CallBackRef, u32 Event) { /* * All of the data transfer has been finished. */ //xil_printf("Event %d \r\n", Event);
if (0 != (Event & XIICPS_EVENT_COMPLETE_RECV)){ RecvComplete = TRUE; } else if (0 != (Event & XIICPS_EVENT_COMPLETE_SEND)) { SendComplete = TRUE; } else if (0 == (Event & XIICPS_EVENT_SLAVE_RDY)){ /* * If it is other interrupt but not slave ready interrupt, it is * an error. * Data was received with an error. */ TotalErrorCount++; } } |
I2cPs_init 函数负责初始化I2C控制器,以及设置了中断回调函数XIicPs_SetStatusHandler(I2C_Ptr, (void *)I2C_Ptr, I2cPs_Handler)，初始化了I2C控制的速度XIicPs_SetSClk(I2C_Ptr, IIC_SCLK_RATE)。 I2cPs_write 函数顾名思义是实现I2C的写数据 I2cPs_read 函数顾名思义是实现I2C的读数据 I2cPs_Setup_IntrSystem 函数负责将I2C中断连接到全局中断服务，并且启动I2C中断 I2cPs_Handler 中断产生后会调用此函数。 11.6.2 eeprom.c/* * eeprom.c *msxbo-www.osrc.cn */
#include "eeprom.h"
#include "sleep.h"
void eeprom_test() { int i; for(i=1;i<9;i++) eeprom_wbuf[i]=i; xil_printf("write eeprom 24lc02 I2C intr\r\n"); write_eeprom(0,8); usleep(2000); xil_printf("read eeprom 24lc02 I2C intr\r\n"); read_eeprom(0,8);
for(i=0;i<8;i++) xil_printf("%d\r\n",eeprom_rbuf[i]);
}
void read_eeprom(u8 addr,u8 len) { eeprom_wbuf[0]=addr; I2cPs_write(&Iic,eeprom_wbuf, 1, EEPROM_ADDR); I2cPs_read (&Iic,eeprom_rbuf, len, EEPROM_ADDR); }
void write_eeprom(u8 addr,u8 len) { eeprom_wbuf[0]=addr; I2cPs_write(&Iic,eeprom_wbuf,len+1,EEPROM_ADDR); }
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eeprom.c文件中通过的调用I2C读写接口函数实现对EEPROM的读写，详细的介绍在11.4.3 eeprom.c程序分析中已经介绍。 11.6.3 main.c/* * www.osrc.cn * www.milinker.com * */
#include "sys_intr.h" #include "sleep.h"
#include "eeprom.h" #include "I2cPs_intr.h"
void init_intr_sys(void) { I2cPs_init(&Iic ,IIC_DEVICE_ID); Init_Intr_System(&Intc); Setup_Intr_Exception(&Intc); I2cPs_Setup_IntrSystem(&Intc, &Iic,IIC_INT_VEC_ID); }
int main(void) {
init_intr_sys(); eeprom_test();
return 0; } |
在main.c文件中实现对I2C中断的初始化，之后调用eeprom_test函数对eeprom测试。 11.7 硬件连线通过外扩的FPGA GPIO 连接 24LCX模块，MZ7XA、MZ7XB自带此IO 
对于没有这组IO的开发板通过FEP转NEP转接卡实现，此转接卡需要单独购买 
11.8测试结果
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