FPGA零基础学习之Vivado-EEPROM驱动设计

原创 FPGA技术江湖 2023-08-24 07:52

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 精密双向电流感应放大器设计方案

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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，EEPROM驱动设计。话不多说，上货。

EEPROM驱动设计

作者：李西锐校对：陆辉

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程只读存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。

EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）是用户可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。我们以SANXIN-B04板卡上的EEPROM为例，向大家介绍一下其驱动方式。EEPROM型号为24LC64。

从特征中我们可以看出一些信息：

1、两线串行总线，使用IIC接口协议。

2、有自擦除/写循环时间。

3、有32字节页写和单字节写模式。

4、最大5ms的写循环时间。

知道了以上信息之后，那么我们继续往下看手册。

在这段描述中，我们可以看出，24LC64是一个8K*8的一个存储器，总共64K bit的容量。因为存储深度为8K，也就意味着芯片的地址有需要有8K个，也就是有8192个，从0开始到8191，那么地址线的位宽就是13位。这也就是我们在写时序图中展示的高字节地址和低字节地址。此外，芯片的供电范围是1.8V到5.5V。芯片有页写功能，最多可写32字节。允许最多有8个芯片连接到相同的总线上。

管脚及功能介绍：

A0、A1、A2三个端口为片选输入，当这三个端口的电平与从机地址相同时，该芯片被选中，这些管脚必须接电源或者地。

SDA是一个双向总线用于传输地址和数据，在SCL为低电平的时候，正常的数据传输SDA是允许被改变的，如果在SCL为高电平期间改变就会被认为是开始和停止条件。

SCL为串行时钟，用于同步数据的传输，由主机发出。

写保护管脚，这个管脚可以连接地、电源或悬空。如果悬空，这个管脚上的下拉电阻会让芯片保持不被保护的状态。如果连接到了地或者悬空，正常的存储器操作是有效地，如果连接到了电源，写操作是禁止的，读操作不受影响。

在SCL为高电平时，SDA由高变低被视为开始条件，所有的命令必须在开始条件之后。

在SCL为高电平时，SDA由低变高被视为停止条件，所有的操作必须以停止条件结束。

端口介绍完，这里要着重说明一下应答信号。每次接收完8bit数据，从机需要产生一个应答信号，主机必须产生一个额外的时钟周期伴随着应答信号。注释:芯片如果有内部循环在进程中的话，是不会产生应答信号的。在时钟为高电平的时候，芯片的应答信号必须拉低SDA，并且在SCL低电平期间保持稳定。

上图为IIC总线的示意图，其中开始条件与停止条件在上文已经描述过。其次是数据的读写，在图中，SCL为高电平时，地址或应答有效，那么我们就在数据有效的时候进行采数；在SCL为低电平时，数据允许被改变，那么我们发送数据就在此时间段。

在了解了端口的作用及功能之后，我们做一个总结：

1、起始条件：SCL为高电平，SDA由高变低。

2、停止条件：SCL为低电平，SDA由低变高。

3、数据接收在SCL高电平期间。

4、数据发送在SCL低电平期间。

5、A0、A1、A2、WP在电路图中已经全部接地，在代码中我们不需要关注。

电路图中可以看出，我们的EEPROM的控制管脚只有SCL和SDA。

设计框架

按照上面的框架，完成各部分代码，最后在此框架的基础上，再加上数码管模块，用来显示从EEPROM里面读出的数据。

新建工程：

新建好工程后，新建文件，开始写代码，首先是写模块。

写时序如下图。

我们以单字节写为例，因为在写的工程中，没写8bit，就要读一次ACK，所以在此我得做法是，读模块只写8bit的线性序列机，代码如下：

1   module iic_wr(2 3     input   wire        clk,4     input   wire        rst_n,5     6     input   wire        wr_en,7     input   wire  [7:0] wr_data,8     9     output  reg         wr_scl,10    output  reg         wr_sda,11    output  wire        wr_done12  );1314    parameter f_clk = 50_000_000;15    parameter f = 100_000;16    parameter t = f_clk / f / 4;17    18    reg   [11:0]    cnt;19    20    always @ (posedge clk, negedge rst_n)21    begin22    if(rst_n == 1'b0)23      cnt <= 12'd0;24    else if(wr_en)25      begin26      if(cnt == 32 * t - 1)27        cnt <= 12'd0;28      else29        cnt <= cnt + 1'b1;30      end31    else32      cnt <= 12'd0;33    end34    35    always @ (posedge clk, negedge rst_n)36    begin37    if(rst_n == 1'b0)38      begin39      wr_scl <= 1'b0;40      wr_sda <= 1'b0;41      end42    else if(wr_en)43      case(cnt)44      0         : begin wr_scl <= 1'b0; wr_sda <= wr_data[7]; end45      1 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end46      3 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end47      4 * t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[6]; end48      5 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end49      7 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end50      8 * t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[5]; end51      9 * t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end52      11* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end53      12* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[4]; end54      13* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end55      15* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end56      16* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[3]; end57      17* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end58      19* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end59      20* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[2]; end60      21* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end61      23* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end62      24* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[1]; end63      25* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end64      27* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end65      28* t - 1 : begin wr_sda <= wr_data[0]; end66      29* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b1; end67      31* t - 1 : begin wr_scl <= 1'b0; end68      default : ;69      endcase70    end 71    72    assign wr_done = (cnt == 32 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;7374  endmodule

在写模块中，我们选择在SCL低电平中心位置发送数据，那么为了方便我们写线性序列机，我们将四分之一SCL周期看做是一个单位时间T，总共8bit时间，所以计数器需要计数32个T。

读模块代码如下：

1   module iic_rd(2 3     input   wire          clk,4     input   wire          rst_n,5     6     input   wire          rd_sda,7     input   wire          rd_en,8     9     output  reg           rd_scl,10    output  reg   [7:0]   rd_data,11    output  wire          rd_done12  );1314    parameter f_clk = 50_000_000;15    parameter f = 100_000;16    parameter t = f_clk / f / 4;17    18    reg   [11:0]    cnt;19    20    always @ (posedge clk, negedge rst_n)21    begin22    if(rst_n == 1'b0)23      cnt <= 12'd0;24    else if(rd_en)25      begin26      if(cnt == 32 * t - 1)27        cnt <= 12'd0;28      else29        cnt <= cnt + 1'b1;30      end31    else32      cnt <= 12'd0;33    end3435    always @ (posedge clk, negedge rst_n)36    begin37    if(rst_n == 1'b0)38      begin39      rd_scl <= 1'b0;40      rd_data <= 8'd0;41      end42    else if(rd_en)43      case(cnt)44      0         : begin rd_scl <= 1'b0; end45      1 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end46      2 * t - 1 : begin rd_data[7] <= rd_sda; end47      3 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end48      5 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end49      6 * t - 1 : begin rd_data[6] <= rd_sda; end50      7 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end51      9 * t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end52      10* t - 1 : begin rd_data[5] <= rd_sda; end53      11* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end54      13* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end55      14* t - 1 : begin rd_data[4] <= rd_sda; end56      15* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end57      17* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end58      18* t - 1 : begin rd_data[3] <= rd_sda; end59      19* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end60      21* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end61      22* t - 1 : begin rd_data[2] <= rd_sda; end62      23* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end63      25* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end64      26* t - 1 : begin rd_data[1] <= rd_sda; end65      27* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end66      29* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b1; end67      30* t - 1 : begin rd_data[0] <= rd_sda; end68      31* t - 1 : begin rd_scl <= 1'b0; end69      default : ;70      endcase71    end72    73    assign rd_done = (cnt == 32 * t - 1) ? 1'b1 : 1'b0;7475  endmodule

在控制模块中，我们可以将每个bit分解开进行写，比如起始条件：

类比以上写法，停止条件也是如此。

在控制模块中我们使用状态机来完成数据的写入以及ACK的判断。我们在第一个状态中，可以加入一个按键来启动整个过程的开始。

在ACK读取的状态，我们在SCL高电平中心读取ACK的值，在此状态结束时判断ACK的值是否为0，如果为0说明响应正确，状态继续往下，否则返回起始条件状态。

在顶层代码中，我们需要加入三态门来控制双端口。

在写好代码之后，出现了一个问题，那就是我们无法仿真，因为单纯的看波形，会发现我们得不到正确的ACK，导致状态一直无法继续。因此我们将使用仿真模型来进行仿真，在仿真模型中，端口为芯片的控制端口。

在此模型中需要我们注意的一点就是，写循环时间定义的为5ms时间，如果大家觉得时间太长，可以自行修改。

仿真代码如下：

1   `timescale 1ns/1ps2 3   module iic_tb;4     5     reg            clk;6     reg            rst_n;7     reg            key;8     9     wire  [2:0]     sel;10    wire  [7:0]     seg;11    wire            SCL;12    wire            SDA;13    14    defparam iic_inst.jitter_inst.t = 10;15    16    pullup(SDA);17    18    initial begin19    clk = 0;20    rst_n = 0;21    key = 1;22    #100;23    rst_n = 1;24    #1000;25    key = 0;26    #1000;27    key = 1;28    #1000000;29    $stop;30    end31    32    always #10 clk = ~clk;33    34    iic iic_inst(3536    .clk        (clk),37    .rst_n      (rst_n),38    .key        (key),39    40    .sel        (sel),41    .seg        (seg),42    .SCL        (SCL),43    .SDA        (SDA)44  );4546    M24LC64 M24LC64_inst(47    .A0       (1'b0), 48    .A1       (1'b0), 49    .A2       (1'b0), 50    .WP       (1'b0), 51    .SDA      (SDA), 52    .SCL      (SCL)53    );5455  endmodule