FPGA零基础学习之Vivado-RTC实时时钟系统设计

原创 FPGA技术江湖 2023-08-23 07:20

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大侠好，欢迎来到FPGA技术江湖。本系列将带来FPGA的系统性学习，从最基本的数字电路基础开始，最详细操作步骤，最直白的言语描述，手把手的“傻瓜式”讲解，让电子、信息、通信类专业学生、初入职场小白及打算进阶提升的职业开发者都可以有系统性学习的机会。

系统性的掌握技术开发以及相关要求，对个人就业以及职业发展都有着潜在的帮助，希望对大家有所帮助。本次带来Vivado系列，RTC实时时钟系统设计。话不多说，上货。

实时时钟系统设计

作者：李西锐校对：陆辉

RTC（real time clock）实时时钟，在电脑、手机等电子产品中都有，应用较多。它的主要作用就是，在产品断电之后，时间还可以继续走数。这样我们在重新使用电子产品时，时间仍然正确。芯片本身可以通过纽扣电池供电，接下来我们一起学习一下RTC的驱动。

此次，RTC用到的主芯片为DS1302，优点为控制简单，接下来我们一起了解一下芯片的特性以及控制。

一、芯片特征

在官方文档中，给出了以下重要特点描述：

1、实时时钟系统可以计数时、分、秒、日、月、星期、区分闰年平年的年份等，最多支持2100年。

2、有31*8bit的存储容量的RAM。

3、实时时钟系统或者RAM的读写，可以单字节或者多字节（突发模式）进行数据传输。

在芯片计时过程中，可以准确的计出时分秒等，还有每个月各有多少天。有30、31、28、29天的区分，年份有闰年平年的区分。小时有12小时制和24小时制。有AM和PM的区分。

芯片的控制是通过CE、I/O（data line）和SCLK。数据线可以一次传输1字节或者31字节。

二、端口

图中的MCU在此时是指的我们的FPGA，那么，FPGA与芯片进行数据交互时，是通过三个串行线进行的，并且I/O为双端口类型。芯片的端口中，除了三个主控端口（CE、I/O、SCLK）外，还有X1和X2。

这两个端口为晶振接口，芯片需要一个外挂晶振来提供时钟，以便用来计时。VCC1和VCC2为两路电源，其中VCC2为板卡提供的电源，VCC1为纽扣电池供电。供电关系会在下面的管脚说明里面进行讲解。

GND为电源地。

三、管脚说明

四、命令格式

下图展示了命令字节，一个命令字节由数据的发送者决定。最高位必须为1，如果是0，将禁止向芯片写数据。bit6如果是0将与实时时钟系统通信，如果是1将与RAM通信。bit1到bit5为寄存器地址；bit0如果为0为写操作，1为读操作。

五、读写控制

首先是写操作，在8个SCLK时钟周期内，主机发送一个写命令字节，数据输入在接下来的8个SCLK时钟的上升沿，数据开始为bit0，也就是说，数据在发送时，从低位开始发送。

数据读操作，在8个SCLK时钟周期内，主机发送一个读命令，数据输出在接下来的8个SCLK时钟下降沿。第一个数据bit出现在命令字节最后一个bit被写入之后的第一个下降沿。通常数据传输需要在CE为高时。读数据时，也是从低位开始。

六、接口协议

基于芯片的读写方式，我们可以使用SPI协议进行数据读写，那么接下来我们介绍一下SPI协议。

SPI协议有四种模式，如下图：

SPI的四种模式是按照其时钟极性（CPOL）和时钟相位（CPHA）共同决定的，CPOL=0，即SCLK=0，表示SCLK时钟信号线在空闲状态时的电平为低电平，因此有效状态为高电平。CPHA=0，即表示在时钟的第一个岩信号进行采样。CPOL和CPHA共有四种组合，固有四种通信模式。

SPI为主从模式，在通信线上，需要4通信线：

CS – 从设备使能信号，由主设备控制

SCL – 时钟信号，由主设备产生

MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出

MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入

但是，一般为了节省资源，会使用3跟通信线，分别为CE、SCL、SDA。其中SDA为双端口。数据的输出和输入都使用这条线。

在我们的DS1302时序图中，读写时序跟SPI的第一种模式一样，所以我们在写代码的时候可以使用SPI协议去写。

接下来我们开始新建工程写代码。

新建文件，按照写时序，通过线性序列机写出写模块。

代码如下：

1   module rtc_wr(2 3     input   wire            clk,4     input   wire            rst_n,5     6     input   wire            wr_en,7     input   wire    [7:0]   wr_addr,8     input   wire    [7:0]   wr_data,9     10    output  wire            wr_done,11    output  reg             wr_scl,12    output  reg             wr_sda,13    output  reg             wr_ce14  );1516    parameter f_clk = 50_000_000;17    parameter f = 100_000;18    parameter t = f_clk / f / 2;19    20    reg   [13:0]    cnt;  2122    always @ (posedge clk, negedge rst_n)23    begin24    if(rst_n == 1'b0)25      cnt <= 14'd0;26    else if(wr_en)27      begin28      if(cnt == 33 * t - 1)29        cnt <= 14'd0;30      else31        cnt <= cnt + 1'b1;32      end33    else34      cnt <= 14'd0;35    end36    37    always @ (posedge clk, negedge rst_n)38    begin39    if(rst_n == 1'b0)40      begin41      wr_scl <= 1'b0;42      wr_sda <= 1'b0;43      wr_ce <= 1'b0;44      end45    else if(wr_en)46      case(cnt)47      0         : begin wr_ce <= 1'b1; wr_sda <= wr_addr[0]; end48      1 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end49      2 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[1]; end50      3 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end51      4 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[2]; end52      5 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end53      6 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[3]; end54      7 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end55      8 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[4]; end56      9 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end57      10* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[5]; end58      11* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end59      12* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[6]; end60      13* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end61      14* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_addr[7]; end62      15* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end63      16* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[0]; end64      17* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end65      18* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[1]; end66      19* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end67      20* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[2]; end68      21* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end69      22* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[3]; end70      23* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end71      24* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[4]; end72      25* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end73      26* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[5]; end74      27* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end75      28* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[6]; end76      29* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end77      30* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[7]; end78      31* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end79      32* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; wr_ce <= 1'b0; end80      default : ;81      endcase82    end83    84    assign wr_done = (cnt == 33 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;85    86  endmodule

同样的方式，新建文件读模块以及控制模块，代码如下：

1   module rtc_rd(2     3     input   wire            clk,4     input   wire            rst_n,5     6     input   wire            rd_en,7     input   wire    [7:0]   rd_addr,8     input   wire            SDA,9     10    output  wire            rd_done,11    output  reg     [7:0]   rd_data,12    output  reg             rd_sda,13    output  reg             rd_scl,14    output  reg             rd_ce,15    output  reg             o_en16  );1718    parameter f_clk = 50_000_000;19    parameter f = 100_000;20    parameter t = f_clk / f / 2;21    22    reg   [13:0]    cnt;  2324    always @ (posedge clk, negedge rst_n)25    begin26    if(rst_n == 1'b0)27      cnt <= 14'd0;28    else if(rd_en)29      begin30      if(cnt == 33 * t - 1)31        cnt <= 14'd0;32      else33        cnt <= cnt + 1'b1;34      end35    else36      cnt <= 14'd0;37    end3839    always @ (posedge clk, negedge rst_n)40    begin41    if(rst_n == 1'b0)42      begin43      rd_data <= 8'd0;44      rd_scl <= 1'b0;45      rd_sda <= 1'b0;46      rd_ce <= 1'b0;47      o_en <= 1'b1;48      end49    else if(rd_en)50      case(cnt)51      0         : begin rd_ce <= 1'b1; rd_sda <= rd_addr[0]; o_en <= 1'b1;end52      1 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end53      2 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[1]; end54      3 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end55      4 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[2]; end56      5 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end57      6 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[3]; end58      7 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end59      8 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[4]; end60      9 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end61      10* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[5]; end62      11* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end63      12* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[6]; end64      13* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end65      14* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_sda <= rd_addr[7]; end66      15* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end67      16* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; o_en <= 1'b0; end68      17* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[0] <= SDA; end69      18* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end70      19* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[1] <= SDA; end71      20* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     72      21* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[2] <= SDA; end73      22* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     74      23* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[3] <= SDA; end75      24* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     76      25* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[4] <= SDA; end77      26* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     78      27* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[5] <= SDA; end79      28* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     80      29* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[6] <= SDA; end81      30* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end     82      31* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; rd_data[7] <= SDA; end83      32* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; rd_ce <= 1'b0; o_en <= 1'b1; end84      default : ;85      endcase86    end87    88    assign rd_done = (cnt == 33 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;89    90  endmodule

在读写模块中，按照框架设计，计数器必须在使能有效的条件下进行，所以，在写计数器时，必须判断使能信号。

控制模块如下：

1    module rtc_ctrl(2      3      input   wire            clk,4      input   wire            rst_n,5      6      //wr7      input   wire            wr_done,8      input   wire            wr_scl,9      input   wire            wr_sda,10     input   wire            wr_ce,11     output  reg             wr_en,12     output  reg   [7:0]     wr_addr,13     output  reg   [7:0]     wr_data,14     15     //rd16     input   wire            rd_done,17     input   wire            rd_scl,18     input   wire            rd_sda,19     input   wire            rd_ce,20     input   wire  [7:0]     rd_data,21     output  reg             rd_en,22     output  reg   [7:0]     rd_addr,23     24     output  reg             SCL,25     output  reg             SDA,26     output  reg             CE,27     output  reg   [7:0]     s,        28     output  reg   [7:0]     m,29     output  reg   [7:0]     h30   );31 32     parameter t = 1_000_000;33     34     reg   [19:0]    cnt;35     reg   [2:0]     state;36 37     always @ (posedge clk, negedge rst_n)38     begin39     if(rst_n == 1'b0)40       begin41       wr_en <= 1'b0;42       wr_addr <= 8'd0;43       wr_data <= 8'd0;44       rd_en <= 1'b0;45       rd_addr <= 8'd0;46       SCL <= 1'b0;47       SDA <= 1'b0;48       CE <= 1'b0;49       s <= 8'd0;50       m <= 8'd0;51       h <= 8'd0;52       cnt <= 20'd0;53       state <= 3'd0;54       end55     else56       case(state)57       3'd0  : begin 58             if(wr_done)59             state <= 3'd1;60             else61             begin62               SCL <= wr_scl;63               SDA <= wr_sda;64               CE <= wr_ce;65               wr_addr <= 8'h80;66               wr_data <= 8'h30;67               wr_en <= 1'b1;68             end69           end70       3'd1  : begin 71             if(wr_done)72             state <= 3'd2;73             else74             begin75               SCL <= wr_scl;76               SDA <= wr_sda;77               CE <= wr_ce;78               wr_addr <= 8'h82;79               wr_data <= 8'h12;80               wr_en <= 1'b1;81             end82           end83       3'd2  : begin 84             if(wr_done)85             begin86               state <= 3'd3;87               wr_en <= 1'b0;88             end89             else90             begin91               SCL <= wr_scl;92               SDA <= wr_sda;93               CE <= wr_ce;94               wr_addr <= 8'h84;95               wr_data <= 8'h23;96               wr_en <= 1'b1;97             end98           end99       3'd3  : begin100            if(rd_done)101            begin102              state <= 3'd4;103              s <= {1'b0,rd_data[6:0]};104            end105            else106            begin107              SCL <= rd_scl;108              SDA <= rd_sda;109              CE <= rd_ce;110              rd_addr <= 8'h81;111              rd_en <= 1'b1;112              state <= 3'd3;113            end114          end115      3'd4  : begin116            if(rd_done)117            begin118              state <= 3'd5;119              m <= rd_data;120            end121            else122            begin123              SCL <= rd_scl;124              SDA <= rd_sda;125              CE <= rd_ce;126              rd_addr <= 8'h83;127              rd_en <= 1'b1;128              state <= 3'd4;129            end130          end131      3'd5  : begin132            if(rd_done)133            begin134              state <= 3'd6;135              h <= rd_data;136              rd_en <= 1'b0;137            end138            else139            begin140              SCL <= rd_scl;141              SDA <= rd_sda;142              CE <= rd_ce;143              rd_addr <= 8'h85;144              rd_en <= 1'b1;145              state <= 3'd5;146            end147          end148      3'd6  : begin 149            if(cnt == t - 1)150            begin151              state <= 3'd3;152              cnt <= 20'd0;153            end154            else155            begin156              state <= 3'd6;157              cnt <= cnt + 1'b1;158            end159          end160      endcase161    end162163  endmodule

在控制模块中，我们前三个状态要把时间的初值写进芯片，比如我们写入时分秒，那么我们需要按照手册给出相应的命令。

在这里我们需要解释一下小时的数据格式。BIT7如果为0代表使用的是24小时制，如果为1代表使用的是12小时制。BIT6恒为0。BIT5，如果是12小时制，0代表上午，1代表下午，如果是24小时制，BIT5和BIT4共同组成了小时的十位。BIT3到BIT0为小时的个位。

顶层模块代码如下：

1    module RTC(     //real time clock2      3      input   wire                    clk,4      input   wire                    rst_n,5      6      output  wire                    SCL,7      inout  wire                     SDA,8      output  wire                    CE,9      10     output  wire        [5:0]       sel,11     output  wire        [7:0]       seg12   );13 14     wire          wr_en;15     wire  [7:0]   wr_addr;16     wire  [7:0]   wr_data;17     wire          wr_done;18     wire          wr_scl;19     wire          wr_sda;20     wire          wr_ce;21     wire          rd_en;22     wire  [7:0]   rd_addr;23     wire          rd_done;24     wire  [7:0]   rd_data;25     wire          rd_sda;26     wire          rd_scl;27     wire          rd_ce;28     wire          o_en;29     wire          o_buf;30     wire  [7:0]   s;31     wire  [7:0]   m;32     wire  [7:0]   h;33 34     rtc_wr rtc_wr_inst(35 36     .clk            (clk),37     .rst_n          (rst_n),38     39     .wr_en          (wr_en),40     .wr_addr        (wr_addr),41     .wr_data        (wr_data),42     43     .wr_done        (wr_done),44     .wr_scl         (wr_scl),45     .wr_sda         (wr_sda),46     .wr_ce          (wr_ce)47   );48 49     rtc_rd rtc_rd_inst(50     51     .clk            (clk),52     .rst_n          (rst_n),53     54     .rd_en          (rd_en),55     .rd_addr        (rd_addr),56     .SDA            (SDA),57     58     .rd_done        (rd_done),59     .rd_data        (rd_data),60     .rd_sda         (rd_sda),61     .rd_scl         (rd_scl),62     .rd_ce          (rd_ce),63     .o_en           (o_en)64   );65 66     rtc_ctrl rtc_ctrl_inst(67     68     .clk            (clk),69     .rst_n          (rst_n),70     71     //wr72     .wr_done        (wr_done),73     .wr_scl         (wr_scl),74     .wr_sda         (wr_sda),75     .wr_ce          (wr_ce),76     .wr_en          (wr_en),77     .wr_addr        (wr_addr),78     .wr_data        (wr_data),79     80     //rd81     .rd_done        (rd_done),82     .rd_scl         (rd_scl),83     .rd_sda         (rd_sda),84     .rd_ce          (rd_ce), 85     .rd_data        (rd_data),86     .rd_en          (rd_en),87     .rd_addr        (rd_addr),88     89     .SCL            (SCL),90     .SDA            (o_buf),91     .CE             (CE),92     .s              (s),        //数码管数据93     .m              (m),94     .h              (h)95   );96     97     assign SDA = (o_en) ? o_buf : 1'hz;98     99     seven_tube_driver seven_tube_driver_inst(100    101    .clk        (clk),102    .rst_n      (rst_n),103    .s          (s),104    .m          (m),105    .h          (h),106    107    .sel        (sel),108    .seg        (seg)109  );110    111  endmodule

在这里需要大家注意的是三态门的编写。

作为输入时，将数据线置为高祖态。

仿真代码如下：

1   `timescale 1ns / 1ps2 3   module rtc_tb;4 5     reg                     clk;6     reg                     rst_n;7     8     wire                    SCL;9     wire                     SDA;10    wire                    CE;11    12    wire        [5:0]       sel;13    wire        [7:0]       seg;1415    initial begin16      clk = 0;  17      rst_n = 0;18      #105;19      rst_n = 1;20      #100000;21      $stop;22    end23    24    always #10 clk = ~clk;25    26    RTC RTC_inst(     //real time clock27    28    .clk      (clk),29    .rst_n      (rst_n),30    31    .SCL      (SCL),32    .SDA      (SDA),33    .CE        (CE),34    35    .sel      (sel),36    .seg      (seg)37  );3839  endmodule