基于fpga的eeprom及i2c总线的分析与研究【字数：7085】
摘 要FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是以硬件描述语言为基础的电路设计方法，它拥有很多比传统可编程器件更优秀的特点，比如速度更快，操作更灵活等。EEPROM是指带电可擦可编程只读存储器，断电之后依然能够保存信息，而且可以在EEPROM上进行擦除和重编程的操作。I2C总线是由飞利浦公司开发的一种串行总线，操作简便，只需连接总线的两根线串行时钟线和串行数据线就可以实现数据传输协议，每个I2C总线的外接器件都有独一无二的地址。本文首先研究了I2C总线的通信原理及传输时序，利用Verilog HDL硬件描述语言设计了EEPROM芯片的读写模块，然后利用Modelsim仿真软件完成了读写过程的仿真，仿真结果表明串行数据信号SDA和串行时钟信号SCL可以满足时序要求，最后将程序下载到FPGA芯片中，完成了EEPROM芯片的实验测试，成功进行了数据的读写。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究意义 1
1.2研究领域现状 1
1.3发展趋势 2
1.4主要工作 2
第二章 硬件描述语言与FPGA介绍 3
2.1 硬件描述语言Verilog HDL 3
2.2 现场可编程门阵列FPGA 3
第三章 I2C串行总线及EEPROM原理介绍 4
3.1I2C通信原理 4
3.2EEPROM芯片介绍 6
3.3I2C总线数据传输 6
3.4I2C总线的工作流程 7
第四章 I2C总线程序设计 9
4.1硬件介绍 9
4.2程序设计 9
第五章 程序仿真与实验 14
5.1程序仿真 14
5.2下载和测试 14
结束语 15
致 谢 16
参考文献 17
第一章 绪论
1.1研究意义
现代科学技术发展很快，而电子设计所需要的集成电路结构越来越繁琐越来越复杂。为了简化电路设计，飞利浦就开发了一种I2C总线，该总线特点就是通信效率高、传输线少。由于I2C总线的接口和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
控制相比较传统的总线来说都更为方便，使用I2C总线的人越来越多。I2C总线使用两条线路进行通信，具有I2C接口的设备都可以直接在这两条线路上进行通信。
目前，I2C总线能实现的功能有很多。I2C总线由主设备控制。同时I2C总线还具有调试方便、配置灵活、传输速度快等优点，极大地减少了系统的开发时间。
1.2研究领域现状
目前芯片的整个行业都是向着更小的尺寸，可靠性更高，功耗低的方向发展。而目前很多的电路系统功能复杂，电路也越来越复杂，很多时候我们都需要用到外围接口器件，通常也会使用并行传输方式，虽然时间会缩短，但是会增加资源的消耗，同时，系统也会变得发杂繁琐，最主要的是用于开发的资金也会大大增加。不符合芯片主流的发展潮流，所以很多公司都会采用由飞利浦公司开发的I2C总线，能够让我们的单片机电路系统结构大大简化，增加了硬件的灵活程度，同时也缩短了我们开发的时间，降低了开发成本。
I2C总线目前也成为了国际通用的总线标准，因为I2C总线扩展方便，协议完善，支持的芯片较多，连线较少，结合以上的有点，很多集成电路厂商都把I2C总线集成到微控制器集成电路中，而现在I2C总线设计的领域较多，通信，控制，电子等等，功能日益强大。
1.3发展趋势
I2C总线的结构简单，我们可以自己来指定一些功能比如通信功能，同时I2C总线的抗干扰能力很强悍，拥有很高的传输速度，靠着这些优点获得了广泛的应用，然后反馈数据给处理器，实现处理器和I2C器件之间的连接。
飞利浦公司除了生产I2C总线接口的芯片之外还推出了很多外部的连接芯片，比如常见的AT24CXX系列的EEPROM。随着科技大发展，很多FPGA器件让我们更加方便的实现I2C总线接口的设计。
1.4主要工作
由于FPGA即现场可编程门阵列是作为ASIC的半定制电路出现的，本论文就是要在FPGA上实现I2C总线接口电路，显示各阶段程序的读写。本论文简要概括了研究背景以及I2C串行总线接口电路的研究意义，然后对硬件描述语言以及FPGA进行了分析，其次对I2C总线的的功能进行了介绍，了解I2C串行总线的工作时序协议，以及内部结构，接着介绍了I2C随机读写串行接口电路的设计，在自顶向下的原则下，将整个电路系统分为几个小模块，然后分别进行设计仿真，可以提高系统的准确性，便于测试。最后进行了I2C随机读写串行接口电路的仿真和测试，然后进行分析与研究。
第二章 硬件描述语言与FPGA介绍
2.1 硬件描述语言Verilog HDL
Verilog HDL是用来描述硬件的一种语言，但是有和C语言有所区别，运用Verilog HDL可以让设计者很轻松的将一个电路的设计转移到不同的芯片中，而且方便修改，同时在Verilog HDL语言的帮助下，设计者们可以把精力都放在电路逻辑设计上，不用过多的去关注硬件实现的问题，而且同一个代码，经过转化，可以在不同的芯片上运行。同时，Verilog HDL遵循自顶向下的设计原则。
2.2 现场可编程门阵列FPGA
FPGA即现场可编程门阵列，作为一种半定制电路，解决了原来很多定制电路以及可编程器件的不足，目前很多以FPGA描述的逻辑电路，可以通过很多逻辑综合以及各种工具，在FPGA上进行调试。而设计者也可以根据各种情况依据各种需求，通过编程，把FPGA内部逻辑块连接到一起，这样就可以在FPGA开发板上构建想要的电路，正是因为FPGA可以根据开发者的需要而改变，所以FPGA成为很多技术开发人员在半定制电路的首要选择。
随着现在FPGA工艺发展速度越来越快，FPGA的集成度也越来越高，电路设计也变得越来越复杂，规模也越来越大。因为现在大多数的FPGA电路设计都是要自顶向下所以需要将整个系统分为不同的小模块去执行，然后每个小模块分别进行仿真，这样可以保证每个模块的准确性，而且，这种模块化的方式可以让多个设计师在不同的模块进行设计，然后上级可以调试下级，这样大大缩短了电路开发的时间，提高了开发设计的速度和准确性。因此，电路构思就成了电路设计最关键也是第一个步骤，通过电路构思，可以根据自顶向下的原则将不同的模块分配好，然后分别设计好每个模块的电路，为整个系统提供一个整体框架。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究意义 1
1.2研究领域现状 1
1.3发展趋势 2
1.4主要工作 2
第二章 硬件描述语言与FPGA介绍 3
2.1 硬件描述语言Verilog HDL 3
2.2 现场可编程门阵列FPGA 3
第三章 I2C串行总线及EEPROM原理介绍 4
3.1I2C通信原理 4
3.2EEPROM芯片介绍 6
3.3I2C总线数据传输 6
3.4I2C总线的工作流程 7
第四章 I2C总线程序设计 9
4.1硬件介绍 9
4.2程序设计 9
第五章 程序仿真与实验 14
5.1程序仿真 14
5.2下载和测试 14
结束语 15
致 谢 16
参考文献 17
第一章 绪论
1.1研究意义
现代科学技术发展很快，而电子设计所需要的集成电路结构越来越繁琐越来越复杂。为了简化电路设计，飞利浦就开发了一种I2C总线，该总线特点就是通信效率高、传输线少。由于I2C总线的接口和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
控制相比较传统的总线来说都更为方便，使用I2C总线的人越来越多。I2C总线使用两条线路进行通信，具有I2C接口的设备都可以直接在这两条线路上进行通信。
目前，I2C总线能实现的功能有很多。I2C总线由主设备控制。同时I2C总线还具有调试方便、配置灵活、传输速度快等优点，极大地减少了系统的开发时间。
1.2研究领域现状
目前芯片的整个行业都是向着更小的尺寸，可靠性更高，功耗低的方向发展。而目前很多的电路系统功能复杂，电路也越来越复杂，很多时候我们都需要用到外围接口器件，通常也会使用并行传输方式，虽然时间会缩短，但是会增加资源的消耗，同时，系统也会变得发杂繁琐，最主要的是用于开发的资金也会大大增加。不符合芯片主流的发展潮流，所以很多公司都会采用由飞利浦公司开发的I2C总线，能够让我们的单片机电路系统结构大大简化，增加了硬件的灵活程度，同时也缩短了我们开发的时间，降低了开发成本。
I2C总线目前也成为了国际通用的总线标准，因为I2C总线扩展方便，协议完善，支持的芯片较多，连线较少，结合以上的有点，很多集成电路厂商都把I2C总线集成到微控制器集成电路中，而现在I2C总线设计的领域较多，通信，控制，电子等等，功能日益强大。
1.3发展趋势
I2C总线的结构简单，我们可以自己来指定一些功能比如通信功能，同时I2C总线的抗干扰能力很强悍，拥有很高的传输速度，靠着这些优点获得了广泛的应用，然后反馈数据给处理器，实现处理器和I2C器件之间的连接。
飞利浦公司除了生产I2C总线接口的芯片之外还推出了很多外部的连接芯片，比如常见的AT24CXX系列的EEPROM。随着科技大发展，很多FPGA器件让我们更加方便的实现I2C总线接口的设计。
1.4主要工作
由于FPGA即现场可编程门阵列是作为ASIC的半定制电路出现的，本论文就是要在FPGA上实现I2C总线接口电路，显示各阶段程序的读写。本论文简要概括了研究背景以及I2C串行总线接口电路的研究意义，然后对硬件描述语言以及FPGA进行了分析，其次对I2C总线的的功能进行了介绍，了解I2C串行总线的工作时序协议，以及内部结构，接着介绍了I2C随机读写串行接口电路的设计，在自顶向下的原则下，将整个电路系统分为几个小模块，然后分别进行设计仿真，可以提高系统的准确性，便于测试。最后进行了I2C随机读写串行接口电路的仿真和测试，然后进行分析与研究。
第二章 硬件描述语言与FPGA介绍
2.1 硬件描述语言Verilog HDL
Verilog HDL是用来描述硬件的一种语言，但是有和C语言有所区别，运用Verilog HDL可以让设计者很轻松的将一个电路的设计转移到不同的芯片中，而且方便修改，同时在Verilog HDL语言的帮助下，设计者们可以把精力都放在电路逻辑设计上，不用过多的去关注硬件实现的问题，而且同一个代码，经过转化，可以在不同的芯片上运行。同时，Verilog HDL遵循自顶向下的设计原则。
2.2 现场可编程门阵列FPGA
FPGA即现场可编程门阵列，作为一种半定制电路，解决了原来很多定制电路以及可编程器件的不足，目前很多以FPGA描述的逻辑电路，可以通过很多逻辑综合以及各种工具，在FPGA上进行调试。而设计者也可以根据各种情况依据各种需求，通过编程，把FPGA内部逻辑块连接到一起，这样就可以在FPGA开发板上构建想要的电路，正是因为FPGA可以根据开发者的需要而改变，所以FPGA成为很多技术开发人员在半定制电路的首要选择。
随着现在FPGA工艺发展速度越来越快，FPGA的集成度也越来越高，电路设计也变得越来越复杂，规模也越来越大。因为现在大多数的FPGA电路设计都是要自顶向下所以需要将整个系统分为不同的小模块去执行，然后每个小模块分别进行仿真，这样可以保证每个模块的准确性，而且，这种模块化的方式可以让多个设计师在不同的模块进行设计，然后上级可以调试下级，这样大大缩短了电路开发的时间，提高了开发设计的速度和准确性。因此，电路构思就成了电路设计最关键也是第一个步骤，通过电路构思，可以根据自顶向下的原则将不同的模块分配好，然后分别设计好每个模块的电路，为整个系统提供一个整体框架。
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