【连载】【FPGA黑金开发板】NIOS II那些事儿IIC总线实验（十）

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简介 

      这一节，我们来讲一讲有关IIC总线的实验，在硬件中，我们实用了24LC04，一个512字节的EEPROM。在NIOS II中，没有集成IIC接口，为了实现这一功能，我们有两种途径，一种就是自己写IP核或者移植别人的IP核，另一种方法就是通过IO口模拟IIC总线协议。我们这一节采用的方法是后者，通过IO口模拟IIC总线协议，以达到对24LC04控制读写的目的。

      首先，我简单介绍一下IIC总线的原理，大家稍微了解一下。IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由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。它是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。它在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

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。下图就为IIC总线的时序图。

简单介绍之后，我们就要开始实践一下了，开始吧

硬件开发

      首先，需要在软核中添加两个IO模块，并将其命名为SCL和SDA，其中，SCL为output建ports only（仅输出），SDA为Bidirection (tristate) port(双向)，建好以后，如下图所示

      接下来，我们自动分配一下地址，编译。

完成后，我们回到Quartus界面。然后我们来分配引脚，如下图所示

      分配好管脚以后，我们运行TCL脚本文件，开始编译(Ctrl+L)……

      编译完成后，我们的硬件部分就结束了，接下来，就是我们的软件开发部分了。

软件开发

      首先，我们打开NIOS II 9.0 IDE，然后进行编译（Ctrl+B）。

      编译好以后，我们看一下system.h文件，看是否多出了SCL和SDA部分代码。跟我们预期的一样，system.h文件中出现了SCL和SDA部分代码，如下表所示

/*
 * SCL configuration
 *
 */
#define SCL_NAME "/dev/SCL"
#define SCL_TYPE "altera_avalon_pio"
#define SCL_BASE 0x00201060
……
/*
 * SDA configuration
 *
 */

#define SDA_NAME "/dev/SDA"
#define SDA_TYPE "altera_avalon_pio"
#define SDA_BASE 0x00201070
……

      在跟大家讨论过程中，我了解到很多人都想知道有关NIOS II自带的API的用法，所以，今天我就用这种方式来实现我们的程序。不过我还是推荐大家用我之前的方式编写程序，道理我已经说过了， 在此不再重复。

下面我们在inc目录下建立一个iic.h文件，如下表所示

#ifndef IIC_H_
#define IIC_H_

#define   OUT     1
#define   IN      0

typedef struct{
    void (* write_byte)(unsigned short addr, unsigned char dat);
    unsigned char (* read_byte)(unsigned short addr);
}IIC;

extern IIC iic;

#endif /*IIC_H_*/

接下来，我们需要在driver下建立iic.c文件，如下表所示

#include <stdio.h>
#include <sys/unistd.h>
#include <io.h>

#include "system.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "alt_types.h"
#include "../inc/iic.h"

static alt_u8 read_byte(alt_u16 addr);
static void write_byte(alt_u16 addr, alt_u8 dat);

IIC iic ={
    .write_byte = write_byte,
    .read_byte = read_byte
};


/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  start
 *  Description:  IIC启动
 * =================================================================
 */
static void start(void)    
{
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(SDA_BASE, OUT);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE, 1);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
    usleep(10);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE, 0);
    usleep(5);
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  uart_send_byte
 *  Description:  IIC停止
 * ==================================================================
 */
static void stop(void)     
{
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(SDA_BASE, OUT);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
    usleep(10);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
    usleep(5);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE, 1);
    usleep(10);
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  ack
 *  Description:  IIC应答
 * =================================================================
 */
static void ack(void)     
{
    alt_u8 tmp;
    
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(SDA_BASE, IN);
    usleep(10);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
    usleep(5);
    tmp = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE);
    usleep(5);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
    usleep(10);
    
    while(tmp);
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  iic_write
 *  Description:  IIC写一个字节
 * =================================================================
 */
void iic_write(alt_u8 dat)    
{
    alt_u8 i, tmp;
    
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(SDA_BASE, OUT);
    
    for(i=0; i<8; i++){
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
        usleep(5);
        tmp = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        dat <<= 1;
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE, tmp);
        usleep(5);
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
        usleep(10);
    }
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  read
 *  Description:  IIC读一个字节
 * ==================================================================
 */
static alt_u8 iic_read(void)    
{
    alt_u8 i, dat = 0;
    
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DIRECTION(SDA_BASE, IN);
 
    for(i=0; i<8; i++){
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
        usleep(10);
        IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
        usleep(5);
        dat <<= 1;
        dat |= IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SDA_BASE);
        usleep(5);
    }
  
    usleep(5);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
    usleep(10);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 1);
    usleep(10);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SCL_BASE, 0);
    
    return dat;
}

/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  write_byte
 *  Description:  向EEPROM写一个字节
 * =================================================================
 */
static void write_byte(alt_u16 addr, alt_u8 dat) 
{
    alt_u8 cmd;
    cmd = (0xa0 | (addr >> 7)) & 0xfe;
    
    start();
    iic_write(cmd);
    ack();
    iic_write(addr);
    ack();
    iic_write(dat);
    ack();
    stop();   
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ===================================================
 *         Name:  read_byte
 *  Description:  从EEPROM读一个字节
 * =================================================================
 */
static alt_u8 read_byte(alt_u16 addr) 
{
    alt_u8 cmd, dat;
    cmd = (0xa0 | (addr >> 7)) & 0xfe;
    
    start();
    iic_write(cmd);
    ack();
    iic_write(addr);
    ack();
    start();
    cmd |= 0x01;
    start();
    iic_write(cmd);
    ack();
    dat = iic_read();
    stop();   
    
    return dat;
}

最后，我们来建立main.c函数

#include <unistd.h>
#include "../inc/iic.h"
#include <stdio.h>
#include "alt_types.h"

alt_u8 write_buffer[512], read_buffer[512];

int main()
{
    alt_u16 i, err;
    alt_u8 dat;

    printf("\nWriting data to EEPROM!\n");
    
    //写入512btye的数据，前256个数字为0到255，后256个数据为1
    for(i=0; i<512; i++){
        if(i<256)
            dat = i;
        else
            dat = 1;
            
        iic.write_byte(i, dat);
        write_buffer[i] = dat;
        printf("0x%02x ", dat);
        usleep(10000);
    }
  
    printf("\nReading data from EEPROM!\n");
    
    //将512byte数据读出来并打印
    for(i=0; i<512; i++){
        read_buffer[i] = iic.read_byte(i);
        printf("0x%02x ", read_buffer[i]);
        usleep(1000);
    }  
  
    err = 0;
    printf("\nVerifing data!\n");
    
    //对比数据是否相同，如果有不同，说明读写过程有错误
    for(i=0; i<512; i++){
        if(read_buffer[i] != write_buffer[i])
        err ++;
    }  
  
    if(err == 0)
        printf("\nData write and read successfully!\n");
    else
        printf("\nData write and read failed!--%d errors\n", err);
    
    return 0;
}

      程序很简单，大家只要对IIC总线有一定的了解就会明白的。

      好的，这节的内容就讲到这，谢谢大家对我的支持。如果有问题，可以给我留言或者直接加入我们的NIOS技术高级群：107122106，也可以加我的qq：984597569