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嵌入式基础 -- I²C 信号与位层规则

news 2025/9/5 15:09:32

I²C 信号与位层规则

两根线：SCL（时钟）与 SDA（数据），开漏/开集输出，必须上拉电阻（2.2k–10k 典型，取决于总线电容与速率）。FPGA 只能“拉低或高阻”，绝不主动拉高。
空闲：SCL=1、SDA=1。
START：SCL=1 时，SDA 从 1→0。
STOP：SCL=1 时，SDA 从 0→1。
位有效窗口：数据在 SCL=1 期间有效、SCL=0 期间允许变化（除 START/STOP）。
第 9 个时钟为 ACK 位：每发完 8 bit 字节后，接收方在第 9 个 SCL 周期拉低 SDA 作为 ACK；不拉低即 NACK。
时序等级（常用）：Standard(100 kHz)、Fast(400 kHz)、Fast+(1 MHz)、High-Speed(3.4 MHz)。速率越高，需要更小的上拉与更紧的布线。
时钟拉伸（Clock Stretching）：从设备可在位间隙拉低 SCL 拖延时间，主机必须等待 SCL 真的被释放为高再继续。
多主仲裁：SCL=1 期间，主机边发边读回 SDA；若自己想发“1”(释放)却读到“0”，判定丢失仲裁并立刻退让。

常见事务流程（7 位地址为例）

1) 主机写从机寄存器（典型“寄存器指针+写数据”）

START
发送 ADDR[6:0] + W(0) → 从机 ACK
发送 REG_ADDR（子地址/寄存器指针）→ 从机 ACK
发送 DATA0 → ACK；可继续 DATA1/2/...（每字节均有 ACK）
STOP

2) 主机读取从机寄存器（“写指针 + 重启 + 读数据”）

START
ADDR + W → ACK
发送 REG_ADDR → ACK
Repeated START（不放 STOP）
ADDR + R(1) → ACK
主机在每个数据字节后：
- 若还想继续读 → 回 ACK
- 读最后一字节 → 回 NACK
STOP

3) 直接顺序读取

START → ADDR + R → 字节流（主机对前面字节回 ACK，最后回 NACK）→ STOP

10 位地址、General Call(0x00)、PEC(SMBus) 都是扩展场景，FPGA 侧按需支持。

在 FPGA 里怎么实现（主机/从机通用要点）

IO 级：开漏输出

// 以通用三态举例：当 oe=1 时拉低，oe=0 时高阻(交给上拉)
assign sda = (sda_oe) ? 1'b0 : 1'bz;
wire   sda_i = sda;assign scl = (scl_oe) ? 1'b0 : 1'bz;  // 主机实现时钟用，或从机用于拉伸
wire   scl_i = scl;

Lattice/Intel/Xilinx 可用 IOBUF/OBUFT 原语；不要驱动“1”。开发板“内置上拉(PULLMODE=UP)”强度很弱，只适合极低速+实验，实机务必用外部上拉。

位采样/去抖与同步

把 SCL/SDA 当异步输入，各加两级同步器与毛刺过滤（如 3~5 采样取多数票）。
接收侧在 SCL 上升沿锁存 SDA；发送侧在 SCL 低电平期间改变 SDA。

主机 FSM 关键状态

IDLE → START → ADDR → ACK_A → (REG/WRITE/REPEAT/READ) … → STOP
波特率发生器：soc_clk 分频产生 SCL 低/高时间；发每一位时遵守“先改 SDA，再拉高 SCL 让对端采样”。

从机 FSM 关键状态

监测 START/STOP；在 SCL 高期间取样 SDA 识别位流。
地址匹配后按读写分流；写路经收子地址更新“寄存器指针”，读路经从该指针出数并自增。
buffer 不就绪时可拉伸 SCL（把 scl_oe=1 拉低）争取时间。

CDC/约束

SCL/SDA → soc_clk 的路径为异步，用同步器并设定 false path或 set_clock_groups -asynchronous。
若主机用 soc_clk 分频出 SCL，对 SCL 建generated clock；不要门控时钟，用时钟使能。