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VLSI设计基础4-反相器摘要本文介绍了VLSI设计中反相器的基础知识，包括其数集模型、特性、静态和动态特性、功耗计算及设计方法。重点讨论了反相器的传播延时、功耗组成和优化设计。关键词：VLSI设计, 反相器, CMOS, 动态功耗, 静态功耗参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化目录 1. INV综述 2. INV的静态特性 3. 【重点】INV的动态特性——tp4. 【※重要】计算延时tp——计算、优化 5. 根据【延时】设计电路 3. 反相链的设计 6. 功耗 7. 利用【功耗】设计电路 1. INV综述 INV的数集模型图片由组成的图可以知道，INV是由两个CMOS管串联组成的。而CMOS的数集模型是理想开关+有限导通电阻or无限关断电阻，故INV的数集模型如下图片即两个电阻开关并联。图中的CL表示晶体管的漏极电容、连线电容、扇出门的输入电容 INV的特性综述图片 VTC（电压传输特性）所有的工作点不是输出高电平就是输出低电平，如下图：图片静态CMOS反向中PMOS和NMOS的负载曲线，原点表示直流工作点 2. INV的静态特性开关阈值（VM）图片图片噪声门限图片图片 3. 【重点】INV的动态特性——tp 设计角度最小的传播延时这是厂家最希望的满足性能的同时，做到面积最小面积最小，意味着成本最低。这里的面积取决于W，也就是选择合适的根据扇出设计反相器链的级数对于时钟树、复位树等需要多扇出的、且要求tp小的，如何设计一个合理的高扇出的反相器链输入信号的上升下降时间对传播延时的影响计算计算CL CL =晶体管的漏极电容+连线电容+扇出门的输入电容. 图片等效电阻Req $R_{e q}=\frac{1}{V_{D D} / 2} \int_{V_{D D} / 2}^{V_{D D}} \frac{V}{I_{D S A T(1+\lambda V)}} d V \approx \frac{3}{4} \frac{V_{D D}}{I_{D S A T}}\left(1+\frac{7}{9} \lambda V_{D D}\right)$ 4. 【※重要】计算延时tp——计算、优化图片图片 5. 根据【延时】设计电路图片图片图片性能最好（tp-min）的反相器图片图片 3. 反相链的设计反相链结构图图片图片图片例题图片 6. 功耗功耗组成动态功耗：来源于电容充放电短路电流：当输入电压在某一个区域时，使得上下两管同时导通，从而形成短路电流。漏电流：属于静态功耗动态功耗工作过程——能量分配来源于电容充放电图片图片公式图片短路电流引起功耗图片图片图片图片静态功耗（漏电流）图片图片 7. 利用【功耗】设计电路图片【小贴士】：延迟最低的等效扇出系数为$f=\sqrt[N]{F}$

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刘航宇 3年前
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2023-02-23
VLSI设计基础3-导线与互联问题摘要本文介绍了VLSI设计中导线与互联问题，包括互连参数、导线模型、寄生参数及其影响，并探讨了降低电容串扰、电阻寄生效应和长导线延时的方法。关键词：VLSI设计, 互连参数, 导线模型, 电容串扰, 电阻寄生效应参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化目录 1. 互连参数 2. 导线模型分布RC模型（重点） 3. 总结互连问题1. 电容寄生效应 2. 电阻寄生效应 3. 性能——长导线延时 1. 互连参数导线材料金属层多晶硅层 n+或p+扩散层互连参数——电容平板电容模型边缘电容模型互连参数——电阻方块电阻：图片扩展: 芯片中的互连，一般高层的金属层一般W较大,于是电阻更小。即W↑→R↓→功耗P↓,RC↓ 因此高层金属层，如M4、M5,常用于时钟、电源等关键信号的布线中间层金属用作于信号线。互连参数——电感当频率上GHZ的时候，才会去考虑电感的作用。 2. 导线模型模型理想导线：一般用于较大尺寸的工艺中集总模型适用情况：电阻小；开关频率中低水平内容：将一条导线上的电容集总成一个电容集总RC模型适用情况：电阻较大，不可忽略；开关频率中低水平内容：将一条导线上的电容集总成一个电容，电阻集总成一个电阻不足：当互连线太长时，该模型当变得保守图片分布RC模型（重点）适用情况：互连线长；导线电阻、电容不可忽略根据推导可知，一条导线的延时同他的长度呈现二次方关系和集总RC模型对比分布RC模型得到的延时是集总RC模型的1/2 适用于长互连线图片图片图片图片传输线模型适用情况：高频、射频、微波；互连材料好，其导线电阻保持在一定范围内。内容：高频情况下，需要考虑电感的作用 3. 总结图片互连问题寄生参数对于电路的危害：影响信号的完整性降低信号的性能增加延时增加功耗寄生的类型——电容、电阻、电感 1. 电容寄生效应此处讨论电容寄生主要是串扰串扰的定义：由相邻的信号线之间不希望有的耦合引起的干扰小贴士：耦合有多种，常常是电容性的耦合串扰引起的噪声难以捕捉串扰的危害串扰将使得导线的延时难以预见，故产生了下文“可预见的导线延时设计” 可预见的导线设计估计改进方法：不断参数提取，不断仿真，不断优化缺点：设计过程需要多次重复，时间长备注：最常用能动性的版图生成布线程序考虑相邻导线的作用缺点：主要由EDA工具完成，在如今EDA工具的要求高备注：有吸引力；已经有一些EDA工具具备该功能可预测的结构方法：密集型布线结构——同层信号线使用电源线隔离，相邻层采用垂直布线。缺点：面积和电容增加了+5%，功耗和延时增加优点：减小了电容串扰，延时差别也下降到不超过2% 图片克服电容串扰的方法尽量避免浮空节点，对串扰敏感的节点，加保持器降低阻抗、敏感节点应当很好地与全摆幅信号隔离在满足时序约束的范围内尽可能加大上升（下降）时间在敏感的低摆幅布线网络中采用差分信号传输方法不要使两条信号线之间的电容太大在两个信号之间增加屏蔽线（即加GND或VDD），使线间电容变成接地电容来消除串扰，但增加了电容负载使用屏蔽层GND或VDD 2. 电阻寄生效应总论原因：芯片尺寸的减小，使得线宽减小，导线电阻增加，导线压降增加。常考虑：电源网络设计——导线消耗了电压，使得供给门电路的电压下降供给门电路的电压下降的危害噪声容限降低延时增加降低电迁移的方法改变金属线属性。如合金或者Cu代替Al导线，但是成本增加。降低温度。降低温度可以减小电迁移发射概率。芯片封装上面需要考虑散热问题。增加线宽。增加线宽可以降低平均电流密度。缺点；增加布线资源，成本增加优点：增加线宽不仅可以降低平均电流密度，还可以降低金属温度，间接又抑制了电迁移。 3. 性能——长导线延时总论原因：根据导线模型——分布RC模型，可知$t_p \propto L^2$。为了降低电路延时，提高电路的响应速度，需要降低导线寄生电阻。降低长导线延时的方法采用更好的互连材料。导线：铜、合金等；绝缘材料：低介电常数的材料 ※但是，这种方法不是解决长导线延时的根本方法。增加互连金属层的数目管子数目增多驱动这金属层数目增多。局部线（底层金属层做信号传输）采用高密度，全局线（高层金属层走全局信号，如时钟线、电源线）采用更好的互连策略——对角线法图片采用对角线式布线（如上图），现场可较小29%，但是对于EDA工具、掩膜制作的要求高，难度大。目前一般采用曼哈顿式布线，即横平竖直式的布线。中间插入中继器——中继器长的互连线中插入中继器（如inv buffer），强行减小导线长度。但是中继器也存在延时。优化互连结构——寄存器或锁存器方法：导线流水线——长互连线中插入寄存器或者锁存器，将导线分成K段。优点：可以提高数据处理能力。每段导线中可以加入中继器进行进一步优化。

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刘航宇 3年前
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VLSI设计基础2-器件之MOS晶体管摘要本文介绍了MOS晶体管在VLSI设计中的应用，包括其静态特性、工作区、动态特性以及手工分析模型，重点讨论了电容的分类和计算方法，并举例说明了tPHL的计算过程。关键词：VLSI设计, MOS晶体管, 数字集成电路, 静态特性, 动态特性参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化目录 MOS晶体管1. 数字电路的晶体管——最直观 2. MOS静态特性——稳定性（CMOS模电基础） 3. 数字电路手工分析模型——开关+Req 4. 【重点】MOS管的动态特性——性能（tp） 4. 寄生电阻(了解) 5.求tPHL例子（重点） MOS晶体管 1. 数字电路的晶体管——最直观执行开关功能非常小的寄生电容非常高的集成度相对简单的制造工艺符号：图片 2. MOS静态特性——稳定性（CMOS模电基础）阈值电压考虑体效应对于阈值电压的影响——偏执效应系数图片阈值电压与材料常数（氧化层厚度、费米电势、注入离子剂量等）有关 2.三个工作区：截止—（亚阈值导电）—线性—饱和—（击穿）沟长调制效应图片 4. 速度饱和-重点短沟道的饱和区范围更大，故常常工作在饱和区。图片图片以下适用于NMOS，PMOS讨论需要取绝对值图片漏电流ID和VGS 长沟道，呈现平方关系短沟道，不那么显著 3. 数字电路手工分析模型——开关+Req 常用开关模型——晶体管=开关+无穷大断开电阻Ron or 有限导通电阻Ron 【计算等效导通电阻Req】：2种方法图片例题与方法：图片图片图片图片 4. 【重点】MOS管的动态特性——性能（tp）电容的分类 MOS管的动态响应取决于：本征电容：基本的MOS结构：结构电容沟道电荷：沟道电容漏源反向偏置的PN结耗尽电容：结电容注意：除了结构电容外，其他两个电容是非线性、随电压变化的寄生电容（连线和负载引起）略解本征电容简单归类：图片小贴士:红色框框:结构电容;灰色框框:沟道电容;蓝色框框:结电容两个覆盖（结构）电容： $\begin{gathered}C_O=C_{G C O}+C_{G D O}=2 C_o W \\ C_{G C O}=C_{G D O}=C_{o x} x_d W=C_o W\end{gathered}$ 覆盖电容是由于源漏横向扩散到栅氧下形成的寄生电容，故而有两个——栅源之间（CGSO）和栅漏之间（CGDO）由于这个电容是由于扩散形成的，只要器件做成之后就电容大小就确定，于是结构电容是三类电容中唯一可以确定确切大小的图片三个沟道电容：沟道电容，即栅到沟道之间的电容，称为CGC，即 (Gate Channel）。其中，$C_{G C}=C_{G C B}+C_{G C S}+C_{G C D}$ 即，栅至体、栅至源、栅至漏电容。由于和沟道有关，又因为沟道形成和工作点有关，于是三个工作点下，CGC不同。图片图片两个（PN）结（耗尽层）电容： PN结电容是由于源-体和漏-体之间反向偏置造成的。由于工艺上面，我们是在体上“挖一个坑“放漏和源，故而他们之间存在着”立体“的关系。故而需要关注”四周立体接触“，如图所示，图片图片图片我们关注的【本征电容】有哪些我们研究电容是为了利用$\tau=R C$计算tp的值，故而我们在意的是输入和输出通路上的电容。图片输入电容——栅极电容图片 2.输出电容——漏极电容图片 4. 寄生电阻(了解) 源漏区的串联电阻。图片危害：当晶体管尺寸进一步缩小，会使结变浅、接触孔变小。使得这个影响更加显著。当给定一个电压，由于分压作用，会使得漏极电流变小。改善：源漏极铺一层低电阻材料（如钨或者钛） 5.求tPHL例子（重点）图片

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刘航宇 3年前
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2023-02-23
VLSI设计基础1-数字IC引论：度量指标及版图基础摘要本文介绍了VLSI设计基础，包括数字IC引论、度量指标、版图基础等。重点阐述了集成电路质量评价、性能指标、数字IC基本概念、IC全定制流程以及CMOS版图设计规则。关键词：VLSI设计, 数字IC, 版图基础, CMOS版图, 设计规则检查参考书：数字集成电路-电路、系统与设计，本文栏目对其重点进行精简化目录引论1. 数字设计中需解决的问题 2. 集成电路质量评价-重点 3. 数字IC基本概念-重点 4. IC全定制流程版图基础1. CMOS版图 2. 设计规则检查 3.棍棒图引论 1. 数字设计中需解决的问题摩尔定律：技术突破才能推动摩尔定律特征尺寸：28nm是传统制程和先进制程的分界点存储器容量：存储器的容量增大，意味着功耗增大，意味着稳定性下降（发热）。如果想要实现更大容量的突破，需要寻找新技术或者新架构使功耗不能超过功耗红线晶圆尺寸：晶圆尺寸增加，单位硅片数量增加，所需的技术越先进，最终成品芯片价格也越低技术突破：大直径的硅片可以大大提高成品率 2. 集成电路质量评价-重点图片注： ① 是取决于制造工艺复杂行参数，常取值3 ②单位面积缺陷数常取值0.5~1个缺陷/cm² ③芯片成本 $=f(\text { 芯片面积 })^4$ 稳定性与功能性噪声：电容耦合、电感耦合、地线耦合 ※※※【重点】性能——延时tp、工作频率性能常与时钟周期、时钟频率相关重点：延时图片 1、传播延时：输入和输入波形的50%翻转点之间的时间如图：定义传播时间tp为 $t_p=\frac{t_{p L H}+t_{p H L}}{2}$ 一般而言， ①TpLH和TpHL不会完全相等 ②如果要求传输延时＜t，则意味着TpLH<t并且TpHL<t 图片图片 2、上升时间tr 3、下降时间tf 功耗和能耗取决的因素太多了。常常有：瞬时功耗、峰值功耗（研究电源线尺寸）、平均功耗（研究冷却或者对电池的要求） 3. 数字IC基本概念-重点电压传输特性VTC（DC传输曲线）可接受的高电压、低电压区域：VIH和VIL定义为VTC增益=-1的点噪声容限=min{NMH.NML} NMH=|VOH-VIH| NML=|VIL-VOL| 再生性保证一个受干扰的信号经过若干个组合逻辑之后依旧回到一个额定电平（高或者低，不是不确定态）抗干扰能力方向性 6.扇入和扇出扇入和扇出个数和一些延迟有关 4. IC全定制流程图片版图基础 1. CMOS版图 1、图编辑工具：virtuoso、max 2、工艺层的概念：将cmos使用中难以理解的掩膜转化为一组简单概念化的版图层 3、可伸缩的设计：将版图所有参数定义与$\lambda$，利用EDA工具使之在想要兼容的工艺间转换。如0.25转为0.18。早期的工艺中，这个缩放比例可以达到75%左右，随着如今器件尺寸的减小，该比例只有90%左右了。不足：①由于不同工艺之间的非线性，线性缩放仅在有限尺寸范围内；②可缩放规则是保守的，结果会使得标准单元尺寸过大或者过小。 4、晶体管的尺寸由W/L指定。给定一个工艺，最小线宽为2$\lambda$；图片 5、在版图中，只要多晶硅穿过扩散区，就形成一个晶体管随着工艺的发展，电源电压VDD呈现下降趋势。 2. 设计规则检查设计规则检查工具：Calibre DRC 设定规则的目的：可以很容易的把电路的概念转换为硅上的几何关系。 Calibre的规则相当于是行业的标准了。其规则是基于边（edge）的DRC/LVE工具，所有的计算都是基于边来计算的，其中”边“分为”内边“和”外边“ 常见的三个指令： internal：检查多边形的内边距 external：检查多边形的外边距 enclosure：检查多边形的交迭 3.棍棒图 1、要求：①将棍棒图转为管级电路图、并且写出输出表达式；②将管级电路图转化为棍棒图 2、特点：仅用象征性的符号表示电路的拓扑结构不需要标尺寸大小棍棒图中棍棒的位置很重要 3、棍棒图中的串并联以下为版图的：串联：图片并联：图片

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刘航宇 3年前
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RAM与ROM及Verilog实现摘要本文介绍了RAM和ROM的概念，包括ROM的不同类型（如PROM、EPROM、EEPROM和Flash memory）。详细阐述了512x8的ROM和RAM的Verilog实现，包括模块声明、端口定义、内部信号和寄存器定义、always块和assign语句。同时，提供了测试代码和仿真结果。关键词：RAM, ROM, Verilog, 随机存储器, 只读存储器概念 RAM（random access memory）即随机存储内存，这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。 ROM 指的是“只读存储器”，即Read-Only Memory。只读存储器（Read-Only Memory，ROM）以非破坏性读出方式工作，只能读出无法写入信息。信息一旦写入后就固定下来，即使切断电源，信息也不会丢失，所以又称为固定存储器。ROM所存数据通常是装入整机前写入的，整机工作过程中只能读出，不像随机存储器能快速方便地改写存储内容。ROM所存数据稳定，断电后所存数据也不会改变，并且结构较简单，使用方便，因而常用于存储各种固定程序和数据。 PROM 指的是“可编程只读存储器”既Programmable Red-Only Memory。这样的产品只允许写入一次，所以也被称为“一次可编程只读存储器”(One Time Progarmming ROM，OTP-ROM)。最初从工厂中制作完成的PROM内部并没有资料，用户可以用专用的编程器将自己的资料写入，但是这种机会只有一次，一旦写入后也无法修改。 EPROM 指的是“可擦写可编程只读存储器”，即Erasable Programmable Read-Only Memory。它的特点是具有可擦除功能，擦除后即可进行再编程，但是缺点是擦除需要使用紫外线照射一定的时间。 EEPROM 指的是“电可擦除可编程只读存储器”，即Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory。它的最大优点是可直接用电信号擦除，也可用电信号写入。EEPROM不能取代RAM的原因是其工艺复杂，耗费的门电路过多，且重编程时间比较长，同时其有效重编程次数也比较低。 Flash memory 指的是“闪存”，所谓“闪存”，它也是一种非易失性的内存，属于EEPROM的改进产品。它的最大特点是必须按块(Block)擦除(每个区块的大小不定，不同厂家的产品有不同的规格)，而EEPROM则可以一次只擦除一个字节(Byte)。目前“闪存”被广泛用在PC机的主板上，用来保存BIOS程序，便于进行程序的升级。其另外一大应用领域是用来作为硬盘的替代品，具有抗震、速度快、无噪声、耗电低的优点，但是将其用来取代RAM就显得不合适，因为RAM需要能够按字节改写，而Flash ROM做不到。二、编程 1.要求：编程实现512x8的ROM和RAM。 ROM、RAM至少应该包含的端口包括地址线、数据线、片选线、读写使能端，复位端和时钟端（其中部分信号线只适用于RAM）。 ROM、RAM和总测试模块分别包含在不同的.v文件中。端口意义： Data: 双向数据总线，用于读写数据。它的宽度由width参数决定。 Addr: 输入地址总线，用于指定要访问的内存单元。它的宽度也由width参数决定，默认为8位。 CS: 输入芯片选择信号，用于使能或禁止模块的读写操作。当CS为1时，模块可以进行读写操作；当CS为0时，模块不响应任何操作。 RWEnable: 输入读写使能信号，用于指定模块的工作模式。当RWEnable为1时，模块处于写模式，可以将Data总线上的数据写入到Addr指定的内存单元中；当RWEnable为0时，模块处于读模式，可以将Addr指定的内存单元中的数据输出到Data总线上。 2.设计思路： 512x8的ROM和RAM,至少需要9位地址线和8位数据位。 3.RAM实现代码 //模块声明，指定模块名和端口引脚 module RAM (Data,Addr,CS,RWEnable,Reset,Clk); //参数定义，指定数据总线和地址总线的宽度，以及内存单元的数量 parameter width=8,msize=512; //端口引脚的方向和位宽定义 input CS,RWEnable,Reset,Clk; //输入信号，分别为芯片选择、读写使能、复位和时钟 input[width:0] Addr; //输入地址总线，宽度由width参数决定 inout[width-1:0] Data; //双向数据总线，宽度由width参数决定 //内部信号和寄存器的定义 reg [width-1:0] Data_temp; //用于暂存读出的数据的寄存器，宽度与Data总线相同 reg [width-1:0] Mem [msize-1:0]; //用于存储所有数据的内存数组，大小与内存单元数量相同 integer i; //用于遍历内存单元的整数变量 //always块，指定模块中所有操作的逻辑 always @(posedge Clk or posedge Reset) begin //复位条件，当Reset为1时，所有内存单元都被置为0 if(Reset) begin for(i=0;i<msize;i=i+1) //用一个for循环遍历所有内存单元 Mem[i] <= 0; //将每个内存单元赋值为0 end //写操作条件，当RWEnable为1且CS为1时，将Data总线上的数据写入到Addr指定的内存单元中 else if((RWEnable==1'b1)&&(CS==1'b1)) begin Mem[Addr] <= Data; //将Data总线上的数据赋值给Mem[Addr] end //读操作条件，当RWEnable为0且CS为1时，将Addr指定的内存单元中的数据读出并暂存在Data_temp中 else if((RWEnable==1'b0)&&(CS==1'b1)) begin Data_temp<=Mem[Addr]; //将Mem[Addr]中的数据赋值给Data_temp end //其他条件，当CS为0或RWEnable为不确定值时，将Data_temp置为高阻抗状态 else begin Data_temp <= 8'bz; //将Data_temp赋值为高阻抗状态 end end //assign语句，指定Data总线与Data_temp之间的连接关系 assign Data=RWEnable?8'bz:Data_temp; //当RWEnable为1时，Data总线处于高阻抗状态；当RWEnable为0时，Data总线接收Data_temp中的数据 endmodule //模块结束测试代码如下： //模块声明，指定模块名为RAM_TS module RAM_TS; //信号和寄存器的定义，指定与RAM模块相连的端口引脚和内部变量 reg CS_t,RWEnable_t,Reset_t,Clk_t; //芯片选择、读写使能、复位和时钟信号，都是1位的寄存器 wire [7:0] Data_t; //数据总线，是8位的线网 reg [8:0] Addr_t; //地址总线，是9位的寄存器 reg [7:0] Data_temp_t; //用于暂存写入数据的寄存器，也是8位的 //initial块，指定测试RAM模块的过程，只会在仿真开始时执行一次 initial begin RWEnable_t = 1;//w //初始化读写使能信号为1，表示写模式 Reset_t = 1; //初始化复位信号为1，表示复位模式 Clk_t = 0; //初始化时钟信号为0 Addr_t = 0; //初始化地址总线为0 Data_temp_t = 0; //初始化暂存数据为0 CS_t=1; //初始化芯片选择信号为1，表示使能模式 #5 Reset_t=0; //延迟5个时间单位后，将复位信号置为0，表示正常工作模式 repeat(10) //重复10次以下操作 begin #5 //延迟5个时间单位后 Addr_t=Addr_t+10; //将地址总线加10，表示访问下一个内存单元 Data_temp_t=Addr_t; //将地址总线上的值赋给暂存数据，表示要写入的数据与地址相同 end #70 //延迟70个时间单位后 RWEnable_t = 0;//r //将读写使能信号置为0，表示读模式 Addr_t=0; //将地址总线置为0，表示从第一个内存单元开始读取数据 repeat(10) //重复10次以下操作 begin #5 //延迟5个时间单位后 Addr_t=Addr_t+10; //将地址总线加10，表示访问下一个内存单元 end end //assign语句，指定数据总线与暂存数据之间的连接关系 assign Data_t=RWEnable_t?Data_temp_t:8'bz; always #5 Clk_t=~Clk_t; //实例化一个RAM模块，并且用定义好的信号和寄存器与之相连 RAM myRAM( .Data(Data_t), //将数据总线与RAM模块的Data端口相连 .Addr(Addr_t), //将地址总线与RAM模块的Addr端口相连 .CS(CS_t), //将芯片选择信号与RAM模块的CS端口相连 .RWEnable(RWEnable_t), //将读写使能信号与RAM模块的RWEnable端口相连 .Reset(Reset_t), //将复位信号与RAM模块的Reset端口相连 .Clk(Clk_t) //将时钟信号与RAM模块的Clk端口相连 ); endmodule //模块结束4.RAM仿真测试： ① 数据写入操作 image.png图片 ② 数据读取操作 image.png图片 5.ROM实现代码： RDEnable: 当RDEnable为1时，模块处于读模式，将Addr指定的内存单元中的数据输出到Data总线，当RDEnable为0时，模块处于空闲模式，不对Data驱动。 ROM代码如下： //模块声明，指定模块名和端口引脚 module ROM(Data,Addr,CS,RDEnable,Reset,Clk); //参数定义，指定数据总线和地址总线的宽度，以及内存单元的数量 parameter width=8,msize=512; //端口引脚的方向和位宽定义 input CS,RDEnable,Reset,Clk; //输入信号，分别为芯片选择、读使能、复位和时钟 input[width:0] Addr; //输入地址总线，宽度由width参数决定 output [width-1:0] Data; //输出数据总线，宽度由width参数决定 //内部信号和寄存器的定义 reg [width-1:0] Data_read; //用于暂存读出的数据的寄存器，宽度与Data总线相同 reg [width-1:0] Mem [msize-1:0]; //用于存储所有数据的内存数组，大小与内存单元数量相同 integer i; //用于遍历内存单元的整数变量 //always块，指定模块中所有操作的逻辑 always @(posedge Clk or posedge Reset) begin //复位条件，当Reset为1时，所有内存单元都被置为其地址值 if(Reset) begin for(i=0;i<msize;i=i+1) //用一个for循环遍历所有内存单元 Mem[i] <= i; //将每个内存单元赋值为其地址值 end //读操作条件，当RDEnable为1且CS为1时，将Addr指定的内存单元中的数据读出并暂存在Data_read中 else if((RDEnable==1'b1)&&(CS==1'b1)) begin Data_read<=Mem[Addr]; //将Mem[Addr]中的数据赋值给Data_read end //其他条件，当CS为0或RDEnable为不确定值时，将Data_read置为高阻抗状态 else Data_read <= 8'bz; //将Data_read赋值为高阻抗状态 end //assign语句，指定Data总线与Data_read之间的连接关系 assign Data=Data_read; //当RDEnable为1时，Data总线输出Data_read中的数据；当RDEnable为0时，Data总线处于高阻抗状态 endmodule //模块结束测试代码如下： //模块声明，指定模块名为R0M98_TS module R0M_TS; //信号和寄存器的定义，指定与ROM98模块相连的端口引脚和内部变量 reg CS_t,RDEnable_t,Reset_t,Clk_t; //芯片选择、读使能、复位和时钟信号，都是1位的寄存器 wire [7:0] Data_t; //数据总线，是8位的线网 reg [8:0] Addr_t; //地址总线，是9位的寄存器 //initial块，指定测试ROM98模块的过程，只会在仿真开始时执行一次 initial begin RDEnable_t = 1;//r //初始化读使能信号为1，表示读模式 Reset_t = 1; //初始化复位信号为1，表示复位模式 Clk_t = 0; //初始化时钟信号为0 Addr_t = 0; //初始化地址总线为0 // Data_read_ts = 0; //初始化暂存数据为0 CS_t=1; //初始化芯片选择信号为1，表示使能模式 #5 Reset_t=0; //延迟5个时间单位后，将复位信号置为0，表示正常工作模式 repeat(10) //重复10次以下操作 begin #10 //延迟10个时间单位后 Addr_t=Addr_t+10; //将地址总线加10，表示访问下一个内存单元 end end //always块，指定时钟信号的变化规律，每隔5个时间单位翻转一次 always #5 Clk_t=~Clk_t; //实例化一个ROM98模块，并且用定义好的信号和寄存器与之相连 ROM myROM( .Data(Data_t), //将数据总线与ROM98模块的Data端口相连 .Addr(Addr_t), //将地址总线与ROM98模块的Addr端口相连 .CS(CS_t), //将芯片选择信号与ROM98模块的CS端口相连 .RDEnable(RDEnable_t), //将读使能信号与ROM98模块的RDEnable端口相连 .Reset(Reset_t), //将复位信号与ROM98模块的Reset端口相连 .Clk(Clk_t) //将时钟信号与ROM98模块的Clk端口相连 ); endmodule //模块结束 6.ROM仿真测试： image.png图片

FPGA&ASIC VLSI&IC验证 # 体系结构

刘航宇 3年前
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2023-02-09
VCS、Verdi与Makefile使用简介摘要本文介绍了VCS、Verdi与Makefile的使用方法。首先，通过在测试文件中加入特定代码生成.fsdb文件，然后创建filelist.f文件存放所有仿真文件。接着，通过Makefile实现一键编译、仿真和波形观察等功能，提高了开发效率。最后，还介绍了不使用Makefile直接执行的方法。关键词：VCS, Verdi, Makefile, 仿真, 编译前期工作 1、.fsdb文件在使用Makefile文件前，先在测试文件中加入这样一句。 initial begin $fsdbDumpfile("tb.fsdb");//这个是产生名为tb.fsdb的文件 $fsdbDumpvars; end需要注意：对于用于仿真的testbench，需要额外建立一个 initial 块，调用产生有关 fsdb 格式的波形文件：首先调用 fsdbDumpfile 函数，产生一个叫 .fsdb 的波形文件然后调用 fsdbDumpvars 函数，声明需要保存那些信号的波形，括号内不加任何参数，则默认全部保存。 2、 filelist.f文件 filelist.f里存放所有需要仿真的.v文件。创建filelist.f的方法： find -name "*.v" >filelist.f 1. Makefile作用？编写makefile文件本质上是帮组make如何一键编译，进行批处理，makefile文件包含的规则命令使我们不需要繁琐的操作，提高了开发效率。 Makefile可以根据指定的依赖规则和文件是否有修改来执行命令。常用来编译软件源代码，只需要重新编译修改过的文件，使得编译速度大大加快。 2. Makefile应用利用Makefile 实现简单的前端设计流程，包括VCS编译，Verdi仿真，DC综合，后续流程待补充。目录结构图片 #use "make" for help help: @echo "make help" @echo "make com to compile" @echo "make sim to run simulation" @echo "make clean to delete temporary files" #need to midify design name design_name = div_top fsdb_name = $(design_name).fsdb # use command "make com" to run vsc and product fsdb file com: cd RTL && vcs \ -full64 \ -f flist.f \ -debug_all \ -l com.log \ +v2k \ -P ${Verdi_HOME}/share/PLI/VCS/LINUXAMD64/novas.tab ${Verdi_HOME}/share/PLI/VCS/LINUXAMD64/pli.a # cd RTL && ./simv -l sim.log +fsdbfile+$(fsdb_name) #simulation:product fsdb file and sim log sim: ./RTL/simv cd RTL && ./simv -l sim.log +fsdbfile+$(fsdb_name) # use verdi to observe the waveform verdi: cd RTL && verdi \ +v2k \ -f flist.f \ -ssf $(fsdb_name) & #use fsdb file # run dc for synthesize syn: cd dc_script && dc_shell -64bit -topographical -f top_syn.tcl | tee -i syn.log #delete all files except .v and makefile clean: #rm -rf `ls | grep -v "Makefile"|grep -v "flist.f" | grep -v "\.v" | grep -v "dc_script"` make -C RTL clean make -C dc_script clean/RTL目录下MakeFile #delete temporary files clean: rm -rf `ls | grep -v "Makefile"|grep -v "flist.f" | grep -v "\.v"` dc_script目录下Makefile #delete temporary files clean: rm -rf `ls | grep -v "Makefile"|grep -v "script" | grep -v ".*.tcl"` make com ：调用vcs编译 make sim：调用vcs仿真 make verdi 波形,shifrt+l可刷新重新编译结果 make clean 删除所有子目录下的临时生成文件详细命令执行“make vcs” 编译仿真执行“make verdi” 打开波形 verdi常用快捷键 ctrl+w: 添加信号到波形图 h：在波形窗口显示详细的信号名（路径） File>save signal，命名*.rc,下次直接打开rc文件就行 c/t: 修改信号的颜色（t可以直接切换颜色）在波形窗口显示状态机的名字：在rtl窗口，tools>Extract internative FSM ,可选first stage(仅展开目前所指定的FSM state)，all stage (展开所有的FSM state) 改变颜色填充波形： Tools>waveform>view options>waveformpane> paint waveform with specified color/pattern 在rtl窗口按x: 标注出信号的值 z: 缩小波形窗口 Z：放大波形窗口 f: 全屏 l: 上一个视图 L: 重新加载设计波形或文件 n: 向前查找 N：向后查找 ctrl+→: 向右移动半屏 ctrl+←: 向左移动半屏双击信号波形：跳转到rtl中信号位置，并高亮新号 b: 跳到波形图开头 e: 跳到波形图尾部 2.不使用Makefile直接执行 vcs -R -f flist.f -full64 -fsdb -l name.log verdi -f flist.f -ssf name.fsdb 图片

编程&脚本笔记 EDA&虚拟机 # EDA&虚拟机 # Makefile

刘航宇 3年前
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2023-02-08
Vivado-FPGA Verilog烧写固化教程摘要本文详细介绍了如何使用Vivado软件将FPGA程序固化到板载Flash中，实现上电自启动。包括两种方法：烧录bin文件和烧录mcs文件，并提供了具体步骤和注意事项。关键词：Vivado, FPGA, Verilog, 程序固化, 烧写教程Vivado里程序固化详细教程编者注：初玩FPGA开发板，我们都会遇到这种情况，每次事先写好的程序编译成功后，下载到板子里，输出结果十分赏心悦目，随着掉电之后，程序也就随之消失，再次上电，又要重新编译下载程序，十分麻烦，不是我们想看到的结果。所以学会固化程序十分重要！下面就来说说如何固化程序。目的简介：将FPGA的配置文件（固化用的配置文件是二进制文件，仅bin文件）烧写到板载Flash中，实现上电自启动，完成程序固化。目录 Vivado里程序固化详细教程法1：烧录bin文件法二烧mcs文件法1：烧录bin文件过程步骤： 1）在Vivado软件里找到Settings设置选项，进入，点击Bitstream选项，将 bin_file 勾上，点击 OK 图片 2）点击 generate bitstream （可以分步进行，Run Synthesis—Run implementation— genereate bitstream），生成 bit 文件和 bin 文件。图片 3）点击 open hardware manager，连接板子图片 4）在Hardware面板中右击FPGA器件（xc7a35t_0），选择Add Configuration Memery Device。图片 5）在弹出的添加配置存储器的界面中，找到板载的Flash存储器型号，点击OK，完成添加。这里开发板flash型号是（ n25q64 ）选择3.3v。图片 6）添加完成后，Vivado会提示添加完成，是否立即配置存储器。点击OK，进入配置存储器的界面，开始将二进制bin文件烧写到外部配置flash存储器中。图片提醒：如果配置存储器的界面突然找不到，可以右击flash存储器，点击Program Configuration Memory Device，会出现存储器的配置界面。图片 7）找到二进制bin文件，选中，进行代码烧写, 实现上电自启动，完成程序固化。图片选择好烧写的二进制文件，选中后点击 OK，将代码烧录到 flash，。其他设置可以保持默认提醒：二进制文件路径为：project_name\project_name.runs\impl_1\xxx.bin。或project_name \project_name.runs\impl_2\xxx.bin。（project_name根据用户工程进行修改）。点击OK，烧写二进制文件。由于需要擦除存储器原有数据，校验，以及烧写等几步，所以配置时间可能会稍微久一点。完成后，点击OK。这样FPGA硬件程序就固化到外部配置存储器中了，下次上电就可以通过QSPI自启动。需要注意的是板载的配置跳线帽需要设置到QSPI模式。法二烧mcs文件第一步：先综合，然后打开综合设计图片第二步：点击Tools—Edit Device Properties(注意，必须按照第一步打开综合后的设计，才能找到这个选项)，然后配置相应参数。图片可以选择压缩bit流，这样后面固化时会快一些。图片选择合适的固化速率，可以适当设置高一些(默认是3MHZ)，因为固化本身比较慢；设置SPI 的bus width，因为flash使用的是QSPI，也即SPI4x(后面还会设置此参数)，所以这里要设置为4 图片选择编程模式，因为我们是将程序固化到flash中，以后上电自动从flash读取程序，所以这里要勾选上。JTAG是一直且默认勾选的。图片点击OK进行下一步。第三步：生成bit流第四步：生成.mcs内存配置文件图片图片点击OK，即可在指定的路径下生成所需的.mcs文件第五步：打开硬件管理器，连接开发板。图片第六步：往flash下载.mcs文件图片图片点击OK，然后出现下面的界面，等待下载完成即可。图片第七步：断电重启注意：一定要注意将自己开发板上设置编程模式的跳线帽跳到QSPI模式。还有就是固化完成后，不会立即运行程序，需要断电重启，此时开发板会自动从flash读取程序并运行。这样以后每次上电都会自动加载并运行这段程序，除非再次固化别的程序！！！

FPGA&ASIC EDA&虚拟机

刘航宇 3年前
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TCL脚本语言用法简介摘要TCL是一种解释执行的脚本语言，具有强大的可扩展性，支持变量、过程和控制结构。它易于嵌入C/C++应用程序，并可通过扩展命令集适应特定应用领域。TCL在自动测试领域广泛应用，因其高抽象层次和快速开发测试脚本的能力。关键词：TCL, 脚本语言, 解释执行, 编程能力, 可扩展性前言（TCL综述） TCL(Tool Command Language)是一种解释执行的脚本语言(Scripting Language)。它提供了通用的编程能力：支持变量、过程和控制结构；同时 TCL还拥有一个功能强大的固有的核心命令集。由于TCL的解释器是用一个C\C++语言的过程库实现的，因此在某种意义上我们又可以把TCL看作一个C库，这个库中有丰富的用于扩展TCL命令的C\C++过程和函数，可以很容易就在C\C++应用程序中嵌入TCL，而且每个应用程序都可以根据自己的需要对TCL语言进行扩展。我们可以针对某一特定应用领域对TCL语言的核心命令集进行扩展，加入适合于自己的应用领域的扩展命令，如果需要，甚至可以加入新的控制结构，TCL解释器将把扩展命令和扩展控制结构与固有命令和固有控制结构同等看待。扩展后的TCL语言将可以继承TCL 核心部分的所有功能，包括核心命令、控制结构、数据类型、对过程的支持等。根据需要，我们甚至可以屏蔽掉TCL的某些固有命令和固有控制结构。通过对TCL的扩展、继承或屏蔽，用户用不着象平时定义一种计算机语言那样对词法、语法、语义、语用等各方面加以定义，就可以方便的为自己的应用领域提供一种功能完备的脚本语言。 TCL良好的可扩展性使得它能很好地适应产品测试的需要，测试任务常常会由于设计和需求的改变而迅速改变，往往让测试人员疲于应付。利用TCL的可扩展性，测试人员就可以迅速继承多种新技术，并针对产品新特点迅速推出扩展TCL命令集，以用于产品的测试中，可以较容易跟上设计需求的变化。另外，因为TCL是一种比C\C++ 语言有着更高抽象层次的语言，使用TCL可以在一种更高的层次上编写程序，它屏蔽掉了编写C\C++程序时必须涉及到的一些较为烦琐的细节，可以大大地提高开发测试例的速度。而且，使用TCL语言写的测试例脚本，即使作了修改，也用不着重新编译就可以调用TCL解释器直接执行。可以省却不少时间。TCL 目前已成为自动测试中事实上的标准。目录前言（TCL综述）语法脚本，命令和单词符号置换(substitution) 变量置换variable subtitution 命令置换command substitution反斜杠置换backslash substitution 双引号和花括号变量简单变量数组 append和incr expr List concat lindex llength linsert lreplace lrange lappend lsearch 控制流 if 循环命令：while 、for 、 foreach while for break和continue命令 switch source 过程（procedure）附录（Tcl的安装）直接打开终端(terminal)，输入 sudo apt install tcl即可进行安装，这里的截图是笔者安装成功后的实例。图片之后输入tclsh即可语法脚本，命令和单词符号一个TCL脚本可以包含一个或多个命令。命令之间必须用换行符或分号隔开，下面的两个脚本都是合法的： set a 1 set b 2 或使用分号隔开 set a 1；set b 2TCL解释器对一个命令的求值过程分为两部分：分析和执行。在分析阶段，TCL 解释器运用规则把命令分成一个个独立的单词，同时进行必要的置换(substitution)；在执行阶段，TCL 解释器会把第一个单词当作命令名，并查看这个命令是否有定义，如果有定义就激活这个命令对应的C/C++过程，并把所有的单词作为参数传递给该命令过程，让命令过程进行处理。置换(substitution) TCL解释器在分析命令时，把所有的命令参数都当作字符串看待，例如： %set x 10 //定义变量x,并把x的值赋为10 10 %set y x+100 //y的值是x+100，而不是我们期望的110 x+100上例的第二个命令中，x被看作字符串x+100的一部分，如果我们想使用x的值’10’ ，就必须告诉 TCL解释器：我们在这里期望的是变量x的值，而非字符’x’。怎么告诉TCL解释器呢，这就要用到TCL语言中提供的置换功能。置换功能分为三种.TCL提供三种形式的置换：变量置换、命令置换和反斜杠置换。每种置换都会导致一个或多个单词本身被其他的值所代替。置换可以发生在包括命令名在内的每一个单词中，而且置换可以嵌套。变量置换variable subtitution 变量置换由一个＄符号标记，变量置换会导致变量的值插入一个单词中。例如之前的一个例子 %set x 10 //定义变量x,并把x的值赋为10 10 %set y x+100 //y的值是x+100，而不是我们期望的110 x+100 %set y $x+100 //y的值是我们期望的110 110命令置换command substitution 命令置换是由[]括起来的TCL命令及其参数，命令置换会导致某一个命令的所有或部分单词被另一个命令的结果所代替。例如： %set y [expr $x+100] 110这里当TCL解释器遇到字符’[‘时，它就会把随后的expr作为一个命令名，从而激活与expr对应的C/C++过程，并把expr和变量置换后得到的10+100传递给该命令过程进行处理。反斜杠置换backslash substitution TCL语言中的反斜杠置换类似于C语言中反斜杠的用法，主要用于在单词符号中插入诸如换行符、空格、[、$等被TCL解释器当作特殊符号对待的字符。 %set msg money\ \$3333\ \nArray\ a\[2] //这个命令的执行结果为： money $3333 Array a[2]双引号和花括号除了使用反斜杠外，TCL提供另外两种方法来使得解释器把分隔符和置换符等特殊字符当作普通字符，而不作特殊处理，这就要使用双引号和花括号({})。 TCL解释器对双引号中的各种分隔符将不作处理，但是对换行符及＄和[]两种置换符会照常处理。而在花括号中，所有特殊字符都将成为普通字符，失去其特殊意义，TCL解释器不会对其作特殊处理。 %set y "$x ddd" 100 ddd %set y {/n$x [expr 10+100]} /n$x [expr 10+100]注释 TCL中的注释符是＃，＃和直到所在行结尾的所有字符都被TCL看作注释，TCL解释器对注释将不作任何处理。不过，要注意的是，＃必须出现在TCL解释器期望命令的第一个字符出现的地方，才被当作注释。 %set a 100 # Not a comment wrong # args: should be "set varName ?newValue?" %set b 101 ; # this is a comment 101变量变量分为简单变量和数组简单变量一个 TCL 的简单变量包含两个部分：名字和值。名字和值都可以是任意字符串。 % set a 2 2 set a.1 4 4 % set b $a.1 2.1在最后一个命令行，我们希望把变量a.1的值付给b，但是TCL解释器在分析时只把$符号之后直到第一个不是字母、数字或下划线的字符(这里是’.’)之间的单词符号(这里是’a’)当作要被置换的变量的名字，所以TCL解释器把a置换成2,然后把字符串“2.1”付给变量b。这显然与我们的初衷不同。当然，如果变量名中有不是字母、数字或下划线的字符，又要用置换，可以用花括号把变量名括起来。例如： %set b ${a.1} 4数组数组是一些元素的集合。TCL的数组和普通计算机语言中的数组有很大的区别。在TCL中，不能单独声明一个数组，数组只能和数组元素一起声明。数组中，数组元素的名字包含两部分：数组名和数组中元素的名字，TCL中数组元素的名字（下标〕可以为任何字符串。例如： set day(monday) 1 set day(tuesday) 2 set a monday set day(monday) 1 set b $day(monday) //b 的值为 1 ，即 day(monday) 的值。 set c $day($a) //c 的值为 1 ，即 day(monday) 的值。其他命令 unset % unset a b day(monday)上面的语句中删除了变量a、b和数组元素day(monday)，但是数组day并没有删除，其他元素还存在，要删除整个数组，只需给出数组的名字。 append和incr 这两个命令提供了改变变量的值的简单手段。 append命令把文本加到一个变量的后面，例如： % set txt hello hello % append txt "! How are you" hello! How are youincr命令把一个变量值加上一个整数。incr要求变量原来的值和新加的值都必须是整数。 expr 可以进行基本的数学函数计算 %expr 1 ＋ 2*3 7List list这个概念在TCL中是用来表示集合的。TCL中list是由一堆元素组成的有序集合，list可以嵌套定义，list每个元素可以是任意字符串，也可以是list。下面都是TCL中的合法的list： {} //空list {a b c d} {a {b c} d} //list可以嵌套list是TCL中比较重要的一种数据结构，对于编写复杂的脚本有很大的帮助 list 语法： list ? value value…? 这个命令生成一个list，list的元素就是所有的value。例： % list 1 2 {3 4} 1 2 {3 4}使用置换将其相结合 % set a {1 2 3 4 {1 2}} 1 2 3 4 {1 2} % puts $a 1 2 3 4 {1 2}concat 语法:concat list ?list…? 这个命令把多个list合成一个list，每个list变成新list的一个元素。 % set a {1 2 3} 1 2 3 % set b {4 5 6} 4 5 6 % concat $a $b 1 2 3 4 5 6lindex 语法：lindex list index 返回list的第index个(0-based)元素。例： % lindex {1 2 {3 4}} 2 3 4llength 语法：llength list 返回list的元素个数。例 % llength {1 2 {3 4}} 3 % set a {1 2 3} 1 2 3 % llength $a 3linsert 语法：linsert list index value ?value…? 返回一个新串，新串是把所有的value参数值插入list的第index个(0-based)元素之前得到。例: % linsert {1 2 {3 4}} 1 7 8 {9 10} 1 7 8 {9 10} 2 {3 4} % linsert {1 2 {3 4}} 1 {1 2 3 {4 5}} 1 {1 2 3 {4 5}} 2 {3 4} % set a {1 2 3} 1 2 3 % linsert $a 1 {2 3 4} 1 {2 3 4} 2 3lreplace 语法：lreplace list first last ?value value …? 返回一个新串，新串是把list的第firs (0-based)t到第last 个(0-based)元素用所有的value参数替换得到的。如果没有value参数，就表示删除第first到第last个元素。例： % lreplace {1 7 8 {9 10} 2 {3 4}} 3 3 1 7 8 2 {3 4} % lreplace {1 7 8 2 {3 4}} 4 4 4 5 6 1 7 8 2 4 5 6 % set a {1 2 3} 1 2 3 % lreplace $a 1 2 4 5 6 7 1 4 5 6 7 % lreplace $a 1 end 1lrange 语法:lrange list first last 返回list的第first (0-based)到第last (0-based)元素组成的串,如果last的值是end。就是从第first个直到串的最后。例： % lrange {1 7 8 2 4 5 6} 3 end 2 4 5 6 % set a {1 2 3} 1 2 3 % lrange $a 0 end 1 2 3lappend 语法：lappend varname value ?value…? 把每个value的值作为一个元素附加到变量varname后面，并返回变量的新值，如果varname不存在，就生成这个变量。例： % set a {1 2 3} 1 2 3 % lappend a 4 5 6 1 2 3 4 5 6lsearch 语法：lsearch ?-exact? ?-glob? ?-regexp? list pattern 返回list中第一个匹配模式pattern的元素的索引，如果找不到匹配就返回-1。-exact、-glob、 -regexp是三种模式匹配的技术。-exact表示精确匹配；-glob的匹配方式和string match命令的匹配方式相同；-regexp表示正规表达式匹配。缺省时使用-glob匹配。例: % set a { how are you } how are you % lsearch $a y* 2 % lsearch $a y? -1-all 返回一个列表，返回的列表中的数值就是字符在列表中的位置默认全局匹配，返回第一个字符在列表中的位置，其位缺省状态 % lsearch {a b c d e} c 2 % lsearch -all {a b c a b c} c 2 5 % lsearch {a b c d c} c 2匹配不到返回-1 % lsearch {a b c d e} g -1控制流主要是对于所有的控制流，包括 if、while、for、foreach、switch、break、continue 等以及过程， if 语法： if test1 body1 ?elseif test2 body2 elseif…. ? ?else bodyn? TCL先把test1当作一个表达式求值，如果值非0，则把body1当作一个脚本执行并返回所得值，否则把test2当作一个表达式求值，如果值非0，则把body2当作一个脚本执行并返回所得值……。例如： if { $x>0 } { ..... }elseif{ $x==1 } { ..... }elseif { $x==2 } { .... }else{ ..... }if { $x<0 } { puts "x is smaller than zero" } elseif {$x==1} { puts "x is equal 1" } elseif {$x==2} { puts "x is equal 2" } else { puts "x is other" } 这里需要注意的是， if 和{之间应该有一个空格，否则TCL解释器会把’if{‘作为一个整体当作一个命令名，从而导致错误。 ‘{‘一定要写在上一行，因为如果不这样，TCL 解释器会认为if命令在换行符处已结束，下一行会被当成新的命令，从而导致错误的结果需要将}{ 分开写，否则会报错extra characters after close-brace 循环命令：while 、for 、 foreach while 语法为: while test body 参数test是一个表达式，body是一个脚本，如果表达式的值非0，就运行脚本，直到表达式为0才停止循环，此时while命令中断并返回一个空字符串。例如：假设变量 a 是一个链表，下面的脚本把a 的值复制到b： % #首先生成一个集合 % set a {1 2 3 4} 1 2 3 4 % set b " " % #计算生成集合的长度（从0开始这里需要减去1例如：0-3一共有四个数） % set i [expr [llength $a] -1] 3 #接下来进行判断，将集合a中的元素全部按顺序写入b中 % while {$i>=0} { #思考执行该行代码替换会有怎样的结果打印出来 #lappend b [lindex $a $i] lappend b [lindex $a [expr [llength $a] - 1 - $i]] incr i -1 } #打印观察结果 % puts $b 1 2 3 4对代码进行分析 set 变量a为一个list，b为一个空list 然后计算列表里有几个元素，将其减一后的值赋值给i，这里减一的目的是从零开始计数会多一个开始进行循环，首先i的值是4大于0，表达式为真，开始执行脚本。脚本为将数组a的第i个位置的元素添加到b list 里，然后给i减一同时进行下一次判断即可。最后输出b的值 for 语法为: for init test reinit body 参数init是一个初始化脚本，第二个参数test是一个表达式，用来决定循环什么时候中断，第三个参数reinit是一个重新初始化的脚本，第四个参数body也是脚本，代表循环体。下例与上例作用相同：（注意这里复制打印顺序的不同） % set a {1 2 3 4} 1 2 3 4 % set b " " % for {set i [expr [llength $a] -1]} {$i>=0} {incr i -1} { lappend b [lindex $a $i] } % puts $b 4 3 2 1例 % for {set i 0} {$i<4} {incr i} { puts "I is: $i " } I is: 0 I is: 1 I is: 2 I is: 3 foreach 这个命令有两种语法形式 1, foreach varName list body 第一个参数varName是一个变量，第二个参数list 是一个表(有序集合)，第三个参数body是循环体。每次取得链表的一个元素，都会执行循环体一次。下例与上例作用相同： % set a {1 2 3 4} 1 2 3 4 % set b " " % foreach i $a { set b [linsert $b 0 $i] } % puts $b 4 3 2 1% foreach var {a b c d e f} { puts $var } a b c d e f2, foreach varlist1 list1 ?varlist2 list2 ...? Body 这种形式包含了第一种形式。第一个参数varlist1是一个循环变量列表，第二个参数是一个列表list1，varlist1中的变量会分别取list1中的值。body参数是循环体。 ?varlist2 list2 …?表示可以有多个变量列表和列表对出现。例如： set x {} foreach {i j} {a b c d e f} { lappend x $j $i }这时总共有三次循环，x的值为”b a d c f e”。 % foreach i {a b c} j {d e f g} { puts $i puts $j } a d b e c f gset x {} foreach i {a b c} j {d e f g} { lappend x $i $j }这时总共有四次循环， x的值为”a d b e c f {} g set x {} foreach i {a b c} {j k} {d e f g} { lappend x $i $j $k }这时总共有三次循环，x的值为”a d e b f g c {} {}”。例子：图片 break和continue命令在循环体中，可以用break和continue命令中断循环。其中break命令结束整个循环过程，并从循环中跳出，continue只是结束本次循环这里有一个特别好的例子说明：这里首先进行给一个list，然后使用foreach循环进行写入数据当遇见break时候直接退出了循环，而continue仅仅只是跳出此次循环继续向b里写入数 % set b {} % set a {1 2 3 4 5} 1 2 3 4 5 % foreach i $a { if {$i == 4} break set b [linsert $b 0 $i] } % puts $b 3 2 1% set b {} % set a {1 2 3 4 5} 1 2 3 4 5 % foreach i $a { if {$i == 4} continue set b [linsert $b 0 $i] } % puts $b 5 3 2 1switch 和 C 语言中 switch 语句一样，TCL 中的 switch 命令也可以由 if 命令实现。只是书写起来较为烦琐。 switch 命令的语法为: switch ? options? string { pattern body ? pattern body …?} 注意这里进行的是字符匹配图片 set x a; set t1 0;set t2 0;set t3 0; switch $x { a - b {incr t1} c {incr t2} default {incr t3} } puts "t1=$t1,t2=$t2，t3=$t3"x=a时执行的是t1加2 其中 a 的后面跟一个’－’表示使用和下一个模式相同的脚本。default 表示匹配任意值。一旦switch 命令找到一个模式匹配，就执行相应的脚本，并返回脚本的值，作为 switch 命令的返回值。 source source 命令读一个文件并把这个文件的内容作为一个脚本进行求值以上边的switch第一段代码为例使用VIM新建一个文件，写入文件后保存退出 vim switch1.tcl键入wish然后输入source switch1.tcl 图片过程（procedure） TCL 支持过程的定义和调用，在 TCL 中,过程可以看作是用 TCL 脚本实现的命令，效果与 TCL的固有命令相似。我们可以在任何时候使用 proc 命令定义自己的过程，TCL 中的过程类似于 C中的函数。 TCL 中过程是由 proc 命令产生的：例如： % proc add {x y } {expr $x+$y} roc 命令的第一个参数是你要定义的过程的名字，第二个参数是过程的参数列表，参数之间用空格隔开，第三个参数是一个 TCL 脚本，代表过程体。 proc 生成一个新的命令，可以象固有命令一样调用： % add 1 2 3

编程&脚本笔记 # TCL脚本

刘航宇 3年前
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2023-01-29
CSA&4-2压缩器电路设计及verilog代码摘要本文介绍了CSA-保留进位加法器、32计数器/32压缩器、5-3计数器/53压缩器和4-2压缩器的设计，并提供了相应的Verilog代码实现。关键词：CSA, 4-2压缩器, 进位保留加法器, Verilog代码, 加法阵列进位保留加法器和4-2压缩加法器是加法阵列中主要采用基本单元目录 CSA-保留进位加法器 32计数器/32压缩器 5-3计数器/53压缩器 4-2压缩器 Verilog代码 CSA-保留进位加法器保留进位加法器( carry-save-adder)即为一位全加器逻辑表达式: \begin{aligned} & S_i=A_i \oplus B_i \oplus C_{i-1} \ & C_i=A_i B_i+C_{i-1}\left(A_i+B_i\right) \end{aligned} CSA电路结构图图片图片如果把保留进位加法器的进位端输出到下一级图片这样第一级的延时为一个进位保留加法器的延时 32计数器/32压缩器此进位保留加法器输入3个一位的数据A、B、Ci; 输出两个1位的数据D、Co。代数运算式如下: Co*2+D=A+B+Ci ●非常明显，保留进位加法器为一计数器--计算输入信号中“1”的个数，计数值由Co、D指示，且: ●Co权值为2; A、B、Ci、D权值为1。 ●其逻辑表达式如下: \begin{aligned} & D=A @ B @ C i \ & C o=A \& B \# A \& C i \# C i \& A \end{aligned} 5-3计数器/53压缩器 ●CSA将3个数据转换成2个数据为3-2计数器，如果能把5个数据转换成3个数据则称之为5-3计数器。 ●它有五个输入端: I0、I1、I2、I3、Ci; 三个输出端: D、C、Co。 ●代数运算式如下: $$ D+C * 2+C_0 * 2=10+11+12+13+C i $$即: I0、 l1、 12、13、Ci、D权值为1; C、Co权值为2。其真值表如下页: 图片图片有数据表示优化后的结构可以减小门延时，传统结构为2个CSA延时，而优化后的延时大约为1.5个CSA延时 4-2压缩器 ●如果连续的两个高低位5-3计数器之间Ci和Co级联的话，则称为4-2压缩加法器 ●如下图图片 42压缩加法器图片 ●对于更多位的部分积也有其他的一些结构树，结构的选取要考虑到电路结构的规整性对后端布局的影响。 ●左边延时比较小但结构不规整。右边正好相反有时候会选取一些折中的结构。 Verilog代码 //----------------------------------------------------------------------- //module : compressor42 //Description : The function of this module is to compress the partial product //----------------------------------------------------------------------- //author : li hangyu //Email : hyliu@ee.ac.cn //time : 01/28, 2023 //----------------------------------------------------------------------- `timescale 1ns/1ps module compressor42 ( in1,in2,in3,in4,cin,out1,out2,cout ); parameter length = 8; input [length*2-1 : 0] in1,in2,in3,in4; input cin; output [length*2 : 0] out1,out2; output cout; wire [length*2-1 : 0] w1,w2,w3; assign w1 = in1 ^ in2 ^ in3 ^ in4; assign w2 = (in1 & in2) | (in3 & in4); assign w3 = (in1 | in2) & (in3 | in4); assign out2 = { w1[length*2-1] , w1} ^ {w3 , cin}; assign cout = w3[length*2-1]; assign out1 = ({ w1[length*2-1] , w1} & {w3 , cin}) | (( ~{w1[length*2-1] , w1}) & { w2[length*2-1] , w2}); endmodule

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刘航宇 3年前
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2023-01-25
Synopsys ICC简单教程摘要本文介绍了Synopsys ICC（IC Compiler）的基本概念、输入输出文件、综合流程和注释详解。ICC将门级网表转换为版图信息，包括数据准备、布局、时钟树综合和布线等步骤。关键词：Synopsys ICC, IC Compiler, 门级网表, 布局布线, 时钟树综合目录一、ICC综合概述ICC输入文件 ICC输出文件二、ICC综合流程1、逻辑库、技术库、版图库等基本参数设定 2、创建自己的Milkyway文件夹 3、布局规划floorplan 4、布局placement 5、时钟树综合CTS 6、布线routing 三、ICC注释详解一、ICC综合概述 ICC（IC Compiler）是把门级网表转换成foundry厂可用于掩膜的版图信息的过程，它包括数据准备、布局、时钟树综合、布线等步骤。图片 ICC输入文件 ICC输入需要两部分信息：综合数据+物理数据。综合数据：门级网表文件，如orca.v 约束文件，如orca.sdc 逻辑库文件，包含时序信息，如标准单元sc.db，宏单元macros.db，输入输出单元io.db等物理数据：技术文件，包含金属层等信息，如abc_6m.tf 线负载模型，TLU+ 物理库文件，包含版图信息，如标准单元sc.mw，宏单元macros.mw，输入输出单元io.mw等 ICC输出文件 ICC输出的是GDSII格式的版图，用于流片。二、ICC综合流程参考Synopsys ICC lab1的RISC_CHIP的例子，展示各个流程发生的变化。 1、逻辑库、技术库、版图库等基本参数设定这是前期的准备工作，设定搜索路径、逻辑时序库.db、负载模型库.tluplus等。 2、创建自己的Milkyway文件夹 Milkyway是Synopsys用于保存版图所有信息的格式，创建自己的Milkyway文件夹用来保存ICC过程中的文件。读入门级网表，所有的模块都集中在角落，需要加入后续的布局布线信息。图片 3、布局规划floorplan 布局主要包含芯片大小的规划、IO单元的规划、宏单元的规划、电源网络的设计等。读入.def文件，包含了整体的布局信息，这个文件需要另外经过许多操作产生：图片 floorplan一旦确定，整个芯片的面积就定下来了，并且和整个设计的timing、布通率密切相关。 4、布局placement placement是将一个个标准单元模块放入中间区域，通过place_opt自动排布图片 5、时钟树综合CTS 时钟树综合的主要目的是减小内部各个时钟的偏斜。时钟源必须通过一级一级的buffer才能驱动众多内部时钟，buffer采用上下延时对称的反相器。下图是时钟树综合后的布局，内部的标准单元会重新排布：图片下图高亮了时钟树的内部走线图片 6、布线routing 布线会经过全局布线（Global routing 和详细布线（Detail Routing）两个步骤，通过route_opt完成：图片三、ICC注释详解 ############################################################ # 1、逻辑库、技术库等基本参数设定 ############################################################ lappend search_path ../ref/db ../ref/tlup set_app_var target_library "sc_max.db" set_app_var link_library "* sc_max.db io_max.db ram16x128_max.db" set_min_library sc_max.db -min_version sc_min.db set_min_library io_max.db -min_version io_min.db set_min_library ram16x128_max.db -min_version ram16x128_min.db # - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - # RISC_CHIP setup variables # - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - set my_mw_lib risc_chip.mw set mw_path "../ref/mw_lib" set tech_file " ../ref/tech/cb13_6m.tf" set tlup_map "../ref/tlup/cb13_6m.map" set tlup_max "../ref/tlup/cb13_6m_max.tluplus" set tlup_min "../ref/tlup/cb13_6m_min.tluplus" set top_design "RISC_CHIP" set verilog_file "./design_data/RISC_CHIP.v" set sdc_file "./design_data/RISC_CHIP.sdc" set def_file "./design_data/RISC_CHIP.def" set ctrl_file "./scripts/opt_ctrl.tcl" set derive_pg_file "./scripts/derive_pg.tcl" set MODULE_NAME RISC_CHIP ############################################################ # 2、创建自己的Milkyway文件夹 ############################################################ file delete -force $my_mw_lib create_mw_lib $my_mw_lib -open -technology $tech_file \ -mw_reference_library "$mw_path/sc $mw_path/io $mw_path/ram16x128" #加载门级网表文件 import_designs $verilog_file \ -format verilog \ -top $top_design #加载线负载模型 set_tlu_plus_files \ -max_tluplus $tlup_max \ -min_tluplus $tlup_min \ -tech2itf_map $tlup_map #加载VDD、VSS信息 source $derive_pg_file #加载约束文件 read_sdc $sdc_file source $ctrl_file source scripts/zic_timing.tcl exec cat zic.timing remove_ideal_network [get_ports scan_en] save_mw_cel -as RISC_CHIP_data_setup ############################################################ # 3、布局规划floorplan ############################################################ # 读入布局信息并布局 read_def $def_file set_pnet_options -complete {METAL3 METAL4} save_mw_cel -as RISC_CHIP_floorplanned ############################################################ # 4、布局placement，放置基本单元 ############################################################ place_opt redirect -tee place_opt.timing {report_timing} report_congestion -grc_based -by_layer -routing_stage global save_mw_cel -as RISC_CHIP_placed ############################################################ # 5、时钟树综合clock tree synthesis ############################################################ remove_clock_uncertainty [all_clocks] set_fix_hold [all_clocks] #时钟树综合 clock_opt redirect -tee clock_opt.timing {report_timing} # 保存文件 save_mw_cel -as RISC_CHIP_cts ############################################################ # 6、布线routing ############################################################ route_opt #报告物理信息 report_design -physical save_mw_cel -as RISC_CHIP_routed ############################################################ # 7、输出文件 ############################################################ file mkdir icc_files write -format ddc -hierarchy -output icc_files/$MODULE_NAME.apr.ddc write_verilog -no_tap_cells icc_files/$MODULE_NAME.lvs.v -pg -no_core_filler_cells write_verilog -no_tap_cells icc_files/$MODULE_NAME.sim.v -no_core_filler_cellssynopsys的实验礼包 synopsys实验下载地址：https://pan.baidu.com/s/1OQHs8jfcFEs5bSs2fm6o8A?pwd=udwm 提取码：udwm

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刘航宇 3年前
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2023-01-14
Design Compile（DC）使用简版摘要Design Compile（DC）是Synopsys的综合软件，将RTL代码转化为门级网表，包括转译、优化和映射三个过程。DC流程包括创建文件夹、复制文件、编写脚本、运行脚本等步骤，并生成相关报告和网表。关键词：Design Compile, Synopsys, RTL代码, 门级网表, 综合软件Design Compile是synopsys的综合软件，它的功能是把RTL级的代码转化为门级网表。综合包括转译（Translation），优化(Opitimization)，映射(Mapping)三个过程。在转译的过程中，软件自动将源代码翻译成每条语句所对应的功能模块以及模块之间的拓扑结构，这一过程是在综合器内部生成电路的布尔函数的表达，不做任何的逻辑重组和优化。优化：基于所施加的一定时序和面积的约束条件，综合器按照一定的算法对转译结果作逻辑优化和重组。在映射过程中,根据所施加的一定的时序和面积的约束条件，综合器从目标工艺库中搜索符合条件的单元来构成实际电路。图片 DC 又称为设计综合将设计的RTL代码综合成门级网表的过程。在 DC 流程中一般要经过以下几个步骤，以项目A为例做如下分析： 1】在项目子目录下创建DC文件夹，在DC文件夹下分别创建db in lib_syn log netlist rpt和 script 文件夹以及一个makefile 文件用来运行DC 脚本。 2】第二步就是复制相应工艺技术库文件到lib_syn ，一般有2种文件各3个分别包括了typical worst 和 best情况，一类是db，文件一类是lib 文件也可以在lc_shell 下读取lib 得到相应的db文件。 3】第三步将需要综合的设计RTL代码（Verilog 文件）复制到in 文件夹 4】第四步在script 创建综合脚本，脚本创建过程将在后面介绍 5】第五步编写运行脚本的makefile 文件 6】第六步运行脚本而后查看综合报告，是否有违例现象出现，如果有修改脚本加以修复直到最终通过设计。注意另外的几个文件夹作用 db文件夹存放DC综合生成的项目db文件，综合网表输出到netlist 文件夹，综合程序运行报告存放在log文件夹中，而综合结果的数据报告则存放在rpt 文件夹中。 DC脚本的编写（A.scr） DC综合脚本基本上有几大部分组成 1】定义综合环境中命名规则(分别对net cell port 命名) define_name_rules verilog –casesensitive define_name_rules verilog –type net –allowed “a-z A-Z 0-9 _ ” \ -first_restricted “ _ 0-9 N ” \ -replacement_char “_ ” \ -prefix “n” define_name_rules verilog –type cell –allowed “a-z A-Z 0-9 _ ” \ -first_restricted “ _ 0-9 ” \ -replacement_char “_” \ -prefix “u” define_name_rules verilog –type port –allowed “a-z A-Z 0-9 _ ” \ -first_restricted “ _ 0-9 ” \ -replacement_char “_” \ -prefix “p”2】综合环境的建立指明库所在的位置 Search_path = { lib_syn/db } 指定综合所需目标库一般选用最恶劣情况worst 库作目标库 target_library = { slow.db} 创建链接库,链接库中包括了一些已经做好的设计和子模块，又包括了当前设计的目标库是设计实例化时所用的库文件 link_library = { “ * ” , slow.db } + synthetic_library 在上述的环境建立所需的各类库中，一般有生产商提供目标库，库中的各类cell用于逻辑映射，链接库则包括了目标库，还包括其他一些以前设计实例基本单元，我们门级网表实例化元件和单元都来自于它。 3】RTL 代码的读入 read –format verilog ./in/ Encoder_32k.v read –format verilog ./in/ Encoder_DBLOCK.v read –format verilog ./in/ Encoder.v read –format verilog ./in/ Step_rom.v指明设计顶层 current_design = Encoder 展开设计分解原设计组 ungroup -all –flatten 设计唯一实例化 uniquify 4】综合环境约束用户往往需要设置worst case 和 best case 的库来验证setup timing 修复 hold timing 不清楚命令使用和属性可使用 man set_min_library 查看 set_min_library lib_syn/db/slow.db -min_version lib_syn/db/fast.db 编译操作条件的表述 set_operating_conditions -min slow –min_library slow \ -max fast –max_library fast 设置wire_load_model wire_load_model 负载模型的每一种模型定义，它定义相关的net_length 和 net fanout 属性而wire_load_mode 则不同指的是不同logic margin 连线net的处理方式一般我们只设置前者 set_wire_load_model -name “ Silterra18_w110 ” –min set_wire_load_model -name “ Silterra18_w110 ” –max设置模块输入驱动强度信息 man set_driving_cell 查看帮助 set_driving_cell -lib_cell BUFX1 –pin Y –library slow –dont_scale –no_design_rule all_input ( )5】设计时钟相关约束 create_clock clk -period 40 set_clock_latency 0.3 –rise { clk } set_clock_latency 0.3 –fall { clk } set_clock_uncertainty –setup 0.3 { clk } set_clock_uncertainty –hold 0.3 { clk }6】禁止改变门电路控制结构芯片中的时钟和复位电路一般由门电路控制的，我们不希望DC在综合时候改变它的结构以保证时钟信号和复位信号的稳定性和可靠性需要设置，禁止对某些单元进行优化 set_dont_touch_network { clk, rstn } set_dont_touch { rstn }7】异步电路处理任何跨越异步边界的路径我们都对其禁止时序分析 set_false_path -from { rstn } –to { clk } 8】设置其他可选约束和禁用单元可选约束一般包括 set_max_fanout set_max_capacitance set_max_transition set_load 等这些属性一般在技术库中已经设置了，只有技术库不能满足设计要求时才使用脚本增加约束选项本脚本中只增加了 set_load 0.02 all_output ( ) Set_max_transition 2.5 current_design 输入输出直通buffer 插入，多重端口的连接插入buffer (选用) set_fix_multiple_port_nets –feedthrough 输出端口插入buffer , 隔离端口（必须） set_isolate_ports –type buffer all_output ( ) 9】检查设计层次关系进行单元映射 check_design –one_level compile –map_effort medium10】修复hold时序重新编译 set_fix_hold {clk } compile –only_hold_time 11】导出编译综合相关报告核对网表命名规则修改相关信息 change_names –rules verilog –hierarchy –verbose 检查整体设计导出报告 check_design > ./rpt/adpcm.rpt 移除未连接的相关端口 remove_unconnected_ports find ( hierarchy cell , “ * ”) 导出设计面积报告 report_area > ./rpt/adpcm_area.txt 导出设计违例报告 report_constraint –all_violators > ./rpt/adpcm_cons.txt 导出setup时序违例的详细报告 report_timing –nworst 50 > ./rpt/adpcm_max_time.txt 导出hold 时序违例的详细报告 report_timing -delay min –nworst 20 > ./rpt/adpcm_min_time.txt 导出综合的设计中cell和reg_cel的报告 report_cell > ./rpt/adpcm_cell.txt report_cell {find (cell, “* _reg *”)} > ./rpt/adpcm_reg_cell.txt12】生成综合网表和pnr 所需的时序约束文件 write -hierarchy -output ./db/adpcm.db write -format verilog –hierarchy -output ./netlist/adpcm.sv write_sdf ./netlist/adpcm.sdf write_sdc ./netlist/adpcm.sdc exit13】compile-ultra 图片

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刘航宇 3年前
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I2C协议及verilog实现-串口读写 EEPROM 摘要本文介绍了I2C协议的基本概念、时序、器件地址和存储器地址，并详细阐述了I2C读写操作的时序和Verilog实现，最后通过仿真和板级验证验证了设计的正确性。关键词：I2C协议, Verilog实现, 串口读写, EEPROM, FPGAI2C 基本概念 I2C 总线（I2C bus，Inter-IC bus）是一个双向的两线连续总线，提供集成电路（ICs）之间的通信线路。I2C 总线是一种串行扩展技术，最早由 Philips 公司推出，广泛应用于电视，录像机和音频设备。I2C 总线的意思是“完成集成电路或功能单元之间信息交换的规范或协议”。Philips 公司推出的 I2C 总线采用一条数据线（SDA），加一条时钟线（SCL）来完成数据的传输及外围器件的扩展。I2C 总线物理拓扑结构如图 30.1 所示。图片 I2C 总线在物理连接上比较简单，分别由 SDA(串行数据线)和 SCL(串行时钟线)两条总线及上拉电阻组成。通信的原理是通过控制 SCL 和 SDA 的时序，使其满足 I2C 的总线协议从而进行数据的传输。 I2C 总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址(可以从 I2C 器件数据手册得知)，主从设备之间就是通过这个地址来确定与哪个器件进行通信。本次实验我们把 FPGA 作为主设备，把挂载在总线上的其他设备（如 EEPROM、PFC8563 等 I2C 器件）作为从设备。 I2C 总线数据传输速率在标准模式下可达 100kbit/s，快速模式下可达 400kbit/s，高速模式下可达 3.4Mbit/s。I2C 总线上的主设备与从设备之间以字节(8 位)为单位进行双向的数据传输。目录 I2C 基本概念 I2C 协议时序介绍 inout信号原理 I2C 器件地址 I2C 存储器地址 I2C 单字节写时序 I2C 连续写时序（页写时序） I2C 单字节读时序 I2C 连续读时序（页读取） I2C 读写器件控制程序本节小结 I2C 协议时序介绍 I2C 协议整体时序图如图 30.2 所示图片 I2C 协议整体时序说明如下：（1）总线空闲状态：SDA 为高电平，SCL 为高电平；（2） I2C 协议起始位：SCL 为高电平时，SDA 出现下降沿，产生一个起始位；（3） I2C 协议结束位：SCL 为高电平时，SDA 出现上升沿，产生一个结束位；（4） I2C 读写数据状态：主要包括数据的串行输出输入和数据接收方对数据发送方的响应信号。具体时序如图 30.3 所示。图片当 I2C 主机（后面简称主机）向 I2C 从机（后面简称从机）写入数据时，SDA 上的每一位数据在 SCL 的高电平期间被写入从机中。从主机角度来看，需要在 SCL 低电平期间改变要写入的数据。而当主机读取从机中数据时，从机在 SCL 低电平期间将数据输出到 SDA 总线上，在 SCL 的高电平期间保持数据稳定，从主机角度来看，需要在 SCL 的高电平期间将 SDA 线上的数据读取并存储。每当一个字节的数据或命令传输完成时，数据接收方都会向发送方响应一位应答位。在响应应答位时，数据发出方将 SDA 总线设置为三态输入，由于 I2C 总线上都有上拉电阻，因此此时总线默认为高电平，若数据接收方正确接收到数据，则数据接收方将 SDA 总线拉低，以示正确应答。例如当主机向从机写入数据或命令时，每个字节都需要从机产生应答信号以告诉主机此次的数据或命令是否成功被写入。所以，当主机将一字节的数据或命令传出后，会将 SDA 信号设置为三态输入，等待从机应答（等待 SDA 被从机拉低为低电平），若从机正确应答，表明当前数据或命令传输成功，可以结束或开始下一个数据或命令的传输，否则表明数据或命令写入失败，主机就可以决定是否放弃写入或者重新发起写入。 inout信号原理图片图片 I2C 器件地址每个 I2C 器件都有一个器件地址，有的器件地址在出厂时地址就设置好了，用户不可以更改（例如 OV7670 器件地址为固定的 0x42），有的确定了几位，剩下几位由硬件确定（比如常见的 I2C 接口的 EEPROM 存储器，留有 3 个控制地址的引脚，由用户自己在硬件设计时确定）。严格讲，主机不是直接向从机发送地址，而是主机往总线上发送地址，所有的从机都能接收到主机发出的地址，然后每个从机都将主机发出的地址与自己的地址比较，如果匹配上了，这个从机就会向主机发出一个响应信号。主机收到响应信号后，开始向总线上发送数据，与这个从机的通讯就建立起来了。如果主机没有收到响应信号，则表示寻址失败。通常情况下，主从器件的角色是确定的，也就是说从机一直工作在从机模式。不同器件定义地址的方式是不同的，有的是软件定义，有的是硬件定义。例如某些单片机的I2C 接口作为从机时，其器件地址是可以通过软件修改从机地址寄存器确定的。而对于一些其他器件，如 CMOS 图像传感器、EEPROM 存储器，其器件地址在出厂时就已经设定好了，具体值可以在对应的数据手册中查到。对于 AT24C64 这样一颗 EEPROM 器件，其器件地址为 1010 加 3 位的片选信号。3位片选信号由硬件连接决定。例如 SOIC 封装的该芯片 PIN1、PIN2、PIN3 为片选地址。当硬件电路上分别将这三个 pin 连接到 GND 或 VCC 时，就可以设置不同的片选地址。I2C 协议在进行数据传输时，主机需要首先向总线上发出控制命令，其中，控制命令就包含了从机地址/片选信号+读写控制。然后等待从机响应。如图 30.4 所示为 I2C 控制命令传输的数据格式。图片 I2C 传输时，按照从高到低的位序进行传输。控制字节的最低位为读写控制位，当该位为 0 时表示主机对从机进行写操作，当该位为 1 时表示主机对从机进行读操作。例如，当需要对片选地址为 100 的 AT24LC64 发起写操作，则控制字节应该为 1010_100_0。若进行读操作，则控制字节应该为 1010_100_1。 I2C 存储器地址每个支持 I2C 协议的器件，内部总会有一些可供读写的寄存器或存储器，例如，对于我们用到的 EEPROM 存储器，内部就是顺序编址的一系列存储单元。对于我们常接触的 CMOS 摄像头如 OV7670（OV7670 的该接口叫 SCCB 接口，其实质也是一种特殊的 I2C协议，可以直接兼容 I2C 协议），其内部就是一系列编址的可供读写的寄存器。因此，我们要对一个器件中的存储单元（寄存器和存储器以下简称存储单元）进行读写，就必须要能够指定存储单元的地址。I2C 协议设计了有从机存储单元寻址地址段，该地址段为一个字或两个字节长度，在主机确认收到从机返回的控制字节响应后由主机发出。地址段长度视不同的器件类型，长度不同，例如同是 EEPROM 存储器，AT24C04 的址段长度为一个字节，而 AT24C64 的地址段长度为两个字节。具体是一个字节还是两个字节，与器件的存储单元数量有关。如图 30.5 和图 30.6 分别为 1 字节地址和 2 字节地址器件的地址分布图，其中 1 字节地址的器件是以内存为 1kbit 的 EEPROM 存储器 AT24C01 举例，2 字节地址的器件是以内存为 64kbit 的 EEPROM 存储器 AT24C64 举例的。图片 I2C 单字节写时序根据前面讲的，不同器件，I2C 器件地址字节不同，这样对于 I2C 单字节写时序就会有所差别，图 30.7 和图 30.8 分别为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件单字节写时序图。图片图片根据时序图，从主机角度来描述一次写入单字节数据过程如下： a. 主机设置 SDA 为输出； b. 主机发起起始信号； c. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作； d. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； e. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据； f. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； g. 读取应答信号成功，对于两字节地址段器件，传输地址数据低字节，对于 1 字节地址段器件，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的数据； h. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号，对于两字节地址段器件，接着步骤 i；对于 1 字节地址段器件，直接跳转到步骤 k； i. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的数据（对于两字节地址段器件）； j. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号（两字节地址段器件）； k. 读取应答信号成功，主机产生 STOP 位，终止传输。 I2C 连续写时序（页写时序）注：I2C 连续写时序仅部分器件支持。连续写是主机连续写多个字节数据到从机，这个和单字节写操作类似，连续多字节写操作也是分为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件的写操作，图 30.9 和图 30.10 分别为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件连续多字节写时序图。图片根据时序图，从主机角度来描述一次写入多字节数据过程如下： a. 主机设置 SDA 为输出； b. 主机发起起始信号； c. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作； d. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； e. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 为输出，传输 1 字节地址数据； f. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； g. 读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，对于两字节地址段器件，传输低字节地址数据，对于 1 字节地址段器件，传输待写入的第 1 个数据 h. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号，对于两字节地址段器件，接着步骤 i；对于 1 字节地址段器件，直接跳转到步骤 k； i. 读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的第 1 个数据（两字节地址段器件）； j. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号（两字节地址段器件）； k. 读取应答信号成功后，主机设置 SDA 为输出，传输待写入的下一个数据； l. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号；n 个数据被写完，转到步骤 m，若数据未被写完，转到步骤 k； m. 读取应答信号成功后，主机产生 STOP 位，终止传输。注：对于 AT24Cxx 系列的 EEPROM 存储器，一次可写入的最大长度为 32 字节。 I2C 单字节读时序同样的，I2C 读操作时序根据不同 I2C 器件具有不同的器件地址字节数，单字节读操作分为 1 字节地址段器件单节数据读操作和 2 字节地址段器件单节数据读操作。图30.11 和图 30.12 分别为不同情况的时序图。图片根据时序图，从主机角度描述一次读数据过程，如下： a. 主机设置 SDA 为输出； b. 主机发起起始信号； c. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作； d. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； e. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 输出，传输 1 字节地址数据； f. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； g. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 输出，对于两字节地址段器件，传输低字节地址数据；对于 1 字节地址段器件，无此步骤，直接跳转到步骤 h； h. 主机发起起始信号； i. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作； j. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； k. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的一个字节的数据； l. 产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总线会被自动拉高）；m. 主机产生 STOP 位，终止传输。 I2C 连续读时序（页读取）连续读是主机连续从从机读取多个字节数据，这个和单字节读操作类似，连续多字节读操作也是分为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件的读操作，图 30.13 和图 30.14 分别为 1 字节地址段器件和 2 字节地址段器件连续多字节读时序图。图片根据时序图，从主机角度描述多字节数据读取过程如下： a. 主机设置 SDA 为输出 b. 主机发起起始信号 c. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 0，表明为写操作。 d. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号。 e. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 输出，传输 1 字节地址数据 f. 主机设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号。 g. 读取应答信号成功，主机设置 SDA 输出，对于两字节地址段器件，传输低字节地址数据；对于 1 字节地址段器件，无此步骤；直接跳转到步骤h； h. 主机发起起始信号； i. 主机传输器件地址字节，其中最低位为 1，表明为读操作； j. 设置 SDA 为三态门输入，读取从机应答信号； k. 设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的第 1 个字节的数据； l. 主机设置 SDA 输出，发送一位应答信号； m. 设置 SDA 为三态门输入，读取 SDA 总线上的下一个字节的数据；若 n 个字节数据读完成，跳转到步骤 n，若数据未读完，跳转到步骤 l；（对于 AT24Cxx，一次读取长度最大为 32 字节，即 n 不大于 32） n. 主机设置 SDA 输出，产生无应答信号（高电平）（无需设置为输出高电平，因为总线会被自动拉高）； o. 主机产生 STOP 位，终止传输。 I2C 读写器件控制程序通过上述的讲述，对 I2C 读写器件数据时序有了一定的了解，下面将开始进行控制程序的设计。根据上面 I2C 的基本概念中有关读写时 SDA 与 SCL 时序，不管对于从机还是主机，SDA 上的每一位数据在 SCL 的高电平期间保持不变，而数据的改变总是在 SCL的低电平期间发生。因此，我们可以选用 2 个标志位对时钟 SCL 的高电平和低电平进行标记，如下图所示：scl_high 对 SCL 高电平期间进行标志，scl_low 对 SCL 低电平期间进行标志。这样就可以在 scl_high 有效时读 SDA 数据，在 scl_low 有效时改变数据。scl_high和 scl_low 产生的时序图如图 30.15 所示。图片在本实验中，时钟信号 SCL 采用计数器方法产生，计数器最大计数值为系统时钟频率除以 SCL 时钟频率，即：SCL_CNT_M = SYS_CLOCK/SCL_CLOCK。对于 scl_high 和 scl_low则只需要分别在计数到四分之一的最大值和四分之三的最大值时产生标志位即可，具体的时钟信号 SCL 和标志信号 scl_high、scl_low 产生实现代码如下： //系统时钟采用 50MHz parameter SYS_CLOCK = 50_000_000; //SCL 总线时钟采用 400kHz parameter SCL_CLOCK = 400_000; //产生时钟 SCL 计数器最大值 localparam SCL_CNT_M = SYS_CLOCK/SCL_CLOCK; reg [15:0]scl_cnt; //SCL 时钟计数器 reg scl_vaild; //I2C 非空闲时期 reg scl_high; //SCL 时钟高电平中部标志位 reg scl_low; //SCL 时钟低电平中部标志位 //I2C 非空闲时期 scl_vaild 的产生 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) scl_vaild <= 1'b0; else if(Wr | Rd) scl_vaild <= 1'b1; else if(Done) scl_vaild <= 1'b0; else scl_vaild <= scl_vaild; end //scl 时钟计数器 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) scl_cnt <= 16'd0; else if(scl_vaild)begin if(scl_cnt == SCL_CNT_M - 1) scl_cnt <= 16'd0; else scl_cnt <= scl_cnt + 16'd1; end else scl_cnt <= 16'd0; end //scl 时钟,在计数器值到达最大值一半和 0 时翻转 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Scl <= 1'b1; else if(scl_cnt == SCL_CNT_M >>1) Scl <= 1'b0; else if(scl_cnt == 16'd0) Scl <= 1'b1; else Scl <= Scl; end //scl 时钟高低电平中部标志位 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) scl_high <= 1'b0; else if(scl_cnt == (SCL_CNT_M>>2)) scl_high <= 1'b1; else scl_high <= 1'b0; end //scl 时钟低电平中部标志位 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) scl_low <= 1'b0; else if(scl_cnt == (SCL_CNT_M>>1)+(SCL_CNT_M>>2)) scl_low <= 1'b1; else scl_low <= 1'b0; end上述代码中 Wr 和 Rd 信号为 I2C 进行一次写和读操作的门控使能信号，Done 信号为一次I2C写和读操作完成标志位。（SCL_CNT_M>>2）和(SCL_CNT_M>>1)+(SCL_CNT_M>>2)分别为 1/2 的 SCL_CNT_M 和 3/4 的 SCL_CNT_M 的计数值。在 SCL 时钟总线以及其高低电平标志位产生完成后，接下来的事情就是 SDA 数据线的产生，这个需要根据具体的读写操作时序完成。本实验主要采用状态机实现，根据上面讲述的读写数据的时序关系，设计了如图 30.16 所示的状态转移图，其状态机状态编码采用独热编码，若需要改变状态编码形式，只需改变程序中的 parameter 定义即可。图片根据上面 I2C 基本概念可知，不同的器件其寄存器地址字节数分为 1 字节或和 2 字节地址段，并且有些 I2C 器件是支持多字节的数据读写，所以在设计时考虑到该 I2C 控制器的通用性，我们将设计寄存器地址字节和读取数据个数均可自行设置的 I2C 控制器，用户可根据自己的实际应用情况设置选择与器件对应的寄存器地址字节数或是读写数据的字节数。寄存器地址字节数的可变主要是通过一个计数器对字节数进行计数，当计数值达到指定值后跳转到下一状态，具体的可参见代码。在状态机中，从主机角度来看，SDA 数据线上在写控制、写数据、读控制状态过程是需要串行输出数据，而在读数据状态过程是需要串行输入数据。根据数据在时钟高电平期间保持不变，改变数据在低电平时期的规则，本设计对时钟信号的高低电平进行计数，从而在指定的计数值进行输出或读取数据实现数据的串行输出和串行输入。串行输出和串行输入数据采用任务的形式进行表示，便于在主状态机中多次的调用。图 30.17为计数的过程以及特定状态变化的时序图，这里的特定状态主要是指读/写控制、读/写地址和读/写数据状态。图片图 30.17 中计数器 halfbit_cnt 和数据接收方对发送的响应检测标志位 ack 以及串行输出、输入数据任务的具体代码如下： //sda 串行接收与发送时 scl 高低电平计数器 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) halfbit_cnt <= 8'd0; else if((main_state == WR_CTRL)|| (main_state == WR_WADDR)|| (main_state == WR_DATA)|| (main_state == RD_CTRL)|| (main_state == RD_DATA))begin if(scl_low | scl_high)begin if(halfbit_cnt == 8'd17) halfbit_cnt <= 8'd0; else halfbit_cnt <= halfbit_cnt + 8'd1; end else halfbit_cnt <= halfbit_cnt; end else halfbit_cnt <= 8'd0; end //数据接收方对发送的响应检测标志位 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) ack <= 1'b0; else if((halfbit_cnt == 8'd16)&&scl_high&&(Sda==1'b0)) ack <= 1'b1; else if((halfbit_cnt == 8'd17)&&scl_low) ack <= 1'b0; else ack <= ack; end //输出串行数据任务 task send_8bit_data; if(scl_high && (halfbit_cnt == 8'd16)) FF <= 1; else if(halfbit_cnt < 8'd17)begin sda_reg <= sda_data_out[7]; if(scl_low) sda_data_out <= {sda_data_out[6:0],1'b0}; else sda_data_out <= sda_data_out; end else ; endtask //串行数据输入任务 task receive_8bit_data; if(scl_low && (halfbit_cnt == 8'd15)) FF <= 1; else if((halfbit_cnt < 8'd15))begin if(scl_high) sda_data_in <= {sda_data_in[6:0],Sda}; else begin sda_data_in <= sda_data_in; end end else ; endtask对于计数器 halfbit_cnt 只在写控制、写数据、读控制、读数据状态下才进行计数，其他状态为零。代码中 FF 是进行串行输出或输入任务的标志位，当 FF 为 1 时表示退出任务，FF 为 0 时表示进入任务。这样便于在状态机中对任务的调用，以及在指定的时间退出任务。接下来就是主状态机的设计，主状态机的状态转移图上面已经给出，具体转移过程是依据 I2C 读写时序进行的，代码如下： //主状态机 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n)begin main_state <= IDLE; sda_reg <= 1'b1; W_flag <= 1'b0; R_flag <= 1'b0; Done <= 1'b0; waddr_cnt <= 2'd1; wdata_cnt <= 8'd1; rdata_cnt <= 8'd1; end else begin case(main_state) IDLE:begin sda_reg <= 1'b1; W_flag <= 1'b0; R_flag <= 1'b0; Done <= 1'b0; waddr_cnt <= 2'd1; wdata_cnt <= 8'd1; rdata_cnt <= 8'd1; if(Wr)begin main_state <= WR_START; W_flag <= 1'b1; end else if(Rd)begin main_state <= WR_START; R_flag <= 1'b1; end else main_state <= IDLE; end WR_START:begin if(scl_low)begin main_state <= WR_CTRL; sda_data_out <= wr_ctrl_word; FF <= 1'b0; end else if(scl_high)begin sda_reg <= 1'b0; main_state <= WR_START; end else main_state <= WR_START; end WR_CTRL:begin if(FF == 1'b0) send_8bit_data; else begin if(ack == 1'b1) begin//收到响应 if(scl_low)begin main_state <= WR_WADDR; FF <= 1'b0; if(Wdaddr_num == 2'b1) sda_data_out <= Word_addr[7:0]; else sda_data_out <= Word_addr[15:8]; end else main_state <= WR_CTRL; end else//未收到响应 main_state <= IDLE; end end WR_WADDR:begin if(FF == 1'b0) send_8bit_data; else begin if(ack == 1'b1) begin//收到响应 if(waddr_cnt == Wdaddr_num)begin if(W_flag && scl_low)begin main_state <= WR_DATA; sda_data_out <= Wr_data; waddr_cnt <= 2'd1; FF <= 1'b0; end else if(R_flag && scl_low)begin main_state <= RD_START; sda_reg <= 1'b1; end else main_state <= WR_WADDR; end else begin if(scl_low)begin waddr_cnt <= waddr_cnt + 2'd1; main_state <= WR_WADDR; sda_data_out <= Word_addr[7:0]; FF <= 1'b0; end else main_state <= WR_WADDR; end end else//未收到响应 main_state <= IDLE; end end WR_DATA:begin if(FF == 1'b0) send_8bit_data; else begin if(ack == 1'b1) begin//收到响应 if(wdata_cnt == Wrdata_num)begin if(scl_low)begin main_state <= STOP; sda_reg <= 1'b0; wdata_cnt <= 8'd1; end else main_state <= WR_DATA; end else begin if(scl_low)begin wdata_cnt <= wdata_cnt + 8'd1; main_state <= WR_DATA; sda_data_out <= Wr_data; FF <= 1'b0; end else main_state <= WR_DATA; end end else//未收到响应 main_state <= IDLE; end end RD_START:begin if(scl_low)begin main_state <= RD_CTRL; sda_data_out <= rd_ctrl_word; FF <= 1'b0; end else if(scl_high)begin main_state <= RD_START; sda_reg <= 1'b0; end else main_state <= RD_START; end RD_CTRL:begin if(FF == 1'b0) send_8bit_data; else begin if(ack == 1'b1) begin//收到响应 if(scl_low)begin main_state <= RD_DATA; FF <= 1'b0; end else main_state <= RD_CTRL; end else//未收到响应 main_state <= IDLE; end end RD_DATA:begin if(FF == 1'b0) receive_8bit_data; else begin if(rdata_cnt == Rddata_num)begin sda_reg <= 1'b1; if(scl_low)begin main_state <= STOP; sda_reg <= 1'b0; end else main_state <= RD_DATA; end else begin sda_reg <= 1'b0; if(scl_low)begin rdata_cnt <= rdata_cnt + 8'd1; main_state <= RD_DATA; FF <= 1'b0; end else main_state <= RD_DATA; end end end STOP:begin//结束操作 if(scl_high)begin sda_reg <= 1'b1; main_state <= IDLE; Done <= 1'b1; end else main_state <= STOP; end default: main_state <= IDLE; endcase end end主状态机完成后，I2C 控制器设计的大块就解决了，剩下的就是 SDA 数据线的输出了，该数据线采用三态使能输出，具体代码如下: assign Sda = sda_en ? sda_reg : 1'bz;对于使能信号 sda_en 按照上面的时序关系图可知，该信号在不同的状态，其高低电平变化的时刻是有差别的，比如在开始和结束状态，它是一直为高电平的，在写控制、写数据、读控制状态，它是在串行输出一字节数据期间（即 halfbit_cnt < 16 时）为高电平，之外的一个数据为位低电平，而在读数据状态时串行输入一字节数据期间（即halfbit_cnt < 16 时）为低电平电平，之外的一个数据位为高电平。具体代码如下： //SDA 三态使能信号 sda_en always@(*) begin case(main_state) IDLE: sda_en = 1'b0; WR_START,RD_START,STOP: sda_en = 1'b1; WR_CTRL,WR_WADDR,WR_DATA,RD_CTRL: if(halfbit_cnt < 16) sda_en = 1'b1; else sda_en = 1'b0; RD_DATA: if(halfbit_cnt < 16) sda_en = 1'b0; else sda_en = 1'b1; default: sda_en = 1'b0; endcase end本实验设计考虑到了多字节数据的读取情况，所以增加了数据读取和数据写入时的有效标志位信号。主要是标志读取数据时数据有效时刻和写数据时提供待写入数据时刻。具体代码如下： //写数据有效标志位 assign Wr_data_vaild = ((main_state==WR_WADDR)&& (waddr_cnt==Wdaddr_num)&& (W_flag && scl_low)&& (ack == 1'b1))|| ((main_state == WR_DATA)&& (ack == 1'b1)&&(scl_low)&& (wdata_cnt != Wrdata_num)); //读数据有效标志位前寄存器 assign rdata_vaild_r = (main_state == RD_DATA) &&(halfbit_cnt == 8'd15)&&scl_low; //读出数据有效标志位 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Rd_data_vaild <= 1'b0; else if(rdata_vaild_r) Rd_data_vaild <= 1'b1; else Rd_data_vaild <= 1'b0; end //读出的有效数据 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Rd_data <= 8'd0; else if(rdata_vaild_r) Rd_data <= sda_data_in; else Rd_data <= Rd_data; end到目前为止，整个 I2C 控制器的设计就完成了，接下来就进入仿真环节，我们需要EEPROM 的仿真模型进行仿真，这样能更好的检验 I2C 控制器设计的是否存在问题，以便后面进行优化改进。本实验采用的是镁光官网提供的 EEPROM 仿真模型，具体下载网址为 http://www.microchip.com/zh/design-centers/memory/serial-eeprom/verilog-ibis-models，我们选择两个具有代表性的模型进行仿真，分别为 1 字节寄存器地址段的 24LC04B 和 2 字节寄存器地址段的 24LC64 仿真模型，利用这两个模型对我们设计的 I2C 控制器进行仿真。如图 30.18 为仿真验证的结构框图。图片这里我们对 1 字节寄存器地址段的 24LC04B 和 2 字节寄存器地址段的 24LC64 仿真模型的器件地址{A3,A2,A1}分别设置为 3’b001 和 3’b000，仿真时为了能分别对不同型号的模型进行仿真，在编写的 testbench 文件中采用了申明方法去选择当前使用哪个模型进行仿真，具体代码如下： `timescale 1ns/1ns `define CLK_PERIOD 20 //仿真模型选择 //`define TEST_M24LC64 //24LC64 `define TEST_M24LC04 //24LC04 module I2C_tb; reg Clk; //系统时钟 reg Rst_n; //系统复位信号 reg [15:0] Word_addr; //I2C 器件寄存器地址 reg Wr; //I2C 器件写使能 reg [7:0] Wr_data; //I2C 器件写数据 wire Wr_data_vaild;//I2C 器件写数据有效标志位 reg Rd; //I2C 器件读使能 wire[7:0] Rd_data; //I2C 器件读数据 wire Rd_data_vaild;//I2C 器件读数据有效标志位 wire Scl; //I2C 时钟线 wire Sda; //I2C 数据线 wire Done; //对 I2C 器件读写完成标识位 localparam NUM = 6'd4; //单次读写数据字节数 `ifdef TEST_M24LC64 localparam DevAddr = 3'b000; //I2C 器件的器件地址 localparam WdAr_NUM= 2; //I2C 器件的存储器地址字节数 `elsif TEST_M24LC04 localparam DevAddr = 3'b001; //I2C 器件的器件地址 localparam WdAr_NUM= 1; //I2C 器件的存储器地址字节数 `endif I2C I2C( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Rddata_num(NUM), .Wrdata_num(NUM), .Wdaddr_num(WdAr_NUM), .Device_addr(DevAddr), .Word_addr(Word_addr), .Wr(Wr), .Wr_data(Wr_data), .Wr_data_vaild(Wr_data_vaild), .Rd(Rd), .Rd_data(Rd_data), .Rd_data_vaild(Rd_data_vaild), .Scl(Scl), .Sda(Sda), .Done(Done) ); `ifdef TEST_M24LC64 M24LC64 M24LC64( .A0(1'b0), .A1(1'b0), .A2(1'b0), .WP(1'b0), .SDA(Sda), .SCL(Scl), .RESET(!Rst_n) ); `elsif TEST_M24LC04 M24LC04B M24LC04( .A0(1'b1), .A1(1'b0), .A2(1'b0), .WP(1'b0), .SDA(Sda), .SCL(Scl), .RESET(!Rst_n) ); `endif //系统时钟产生 initial Clk = 1'b1; always #(`CLK_PERIOD/2)Clk = ~Clk; initial begin Rst_n = 0; Word_addr = 0; Wr = 0; Wr_data = 0; Rd = 0; #(`CLK_PERIOD*200 + 1) Rst_n = 1; #200; `ifdef TEST_M24LC64 //仿真验证 24LC64 模型 //写入 20 组数据 Word_addr = 0; Wr_data = 0; repeat(20)begin Wr = 1'b1; #(`CLK_PERIOD); Wr = 1'b0; repeat(NUM)begin //在写数据有效前给待写入数据 @(posedge Wr_data_vaild) Wr_data = Wr_data + 1; end @(posedge Done); #2000; Word_addr = Word_addr + NUM; end #2000; //读出刚写入的 20 组数据 Word_addr = 0; repeat(20)begin Rd = 1'b1; #(`CLK_PERIOD); Rd = 1'b0; @(posedge Done); #2000; Word_addr = Word_addr + NUM; end `elsif TEST_M24LC04 //仿真验证 24LC04 模型 //写入 20 组数据 Word_addr = 100; Wr_data = 100; repeat(20)begin Wr = 1'b1; #(`CLK_PERIOD); Wr = 1'b0; repeat(NUM)begin //在写数据有效前给待写入数据 @(posedge Wr_data_vaild) Wr_data = Wr_data + 1; end @(posedge Done); #2000; Word_addr = Word_addr + NUM; end #2000; //读出刚写入的 20 组数据 Word_addr = 100; repeat(20)begin Rd = 1'b1; #(`CLK_PERIOD); Rd = 1'b0; @(posedge Done); #2000; Word_addr = Word_addr + NUM; end `endif #5000; $stop; end endmodule在 testbench 文件中，通过对 EEPROM 模型进行 20 写操作，每次写字节数为NUM，然后对 EEPROM 模型在刚写入数据的地址段进行读操作，通过比较读出和写入的数据验证 I2C 控制器设计是否正确。这里分别通过申明选择 TEST_M24LC64 或TEST_M24LC04 来作为当前的仿真模型。如图 30.19 所示为 2 字节地址的 EEPROM模型 24LC64 仿真结果。图 30.20 和图 30.21 分别为型号 24LC64 仿真模型写操作时序和读操作时序放大后的波形图。图片图片同样的方式选择 24LC04 型号 EEPROM 模型进行仿真，如图 30.22 所示为 1 字节地址的 EEPROM 模型 24LC604 仿真结果。图 30.23 和图 30.24 分别为型号24LC604 仿真模型写操作时序和读操作时序放大后的波形图。图片通过观察图 30.21 和图 30.24 的时序波形发现，在读操作时序结果中，读出的数据中某些位是高阻态，仔细观察波形可知，高阻态的位置正好是需要输出高电平的位置，这个的原因是 EEPROM 的仿真模型是完全与实际的器件是一样的，对于器件来说，只在输出 0 时将数据线拉低，而在高阻态或本应该为高电平的时刻都是设置为高阻态的，这个在仿真模型的代码中也有体现，具体体现这一点的代码如下： bufif1 (SDA, 1'b0, SDA_DriveEnableDlyd);图片其中，器件地址包括器件的地址字节数和 3 位的器件地址，具体分配如下：图片功能码主要是区分是写数据操作还是读数据操作，为了方便，我们直接规定，功能码为 0xf1 表示写数据操作，0xf2 表示读数据操作；起始地址是我们要读写数据的第一个地址；数据字节数表示要写入或读取的数据的字节个数，后面的数据 1 到数据n 表示要写入的 n 个数据，对于读操作没有这部分。如图 30.25 为该实验整体的设计框图。图片有关串口发送和接收以及 fifo 模块在前面章节都已经进行了讲解，这里就不重复讲解了，这里重点讲解命令解析模块的设计，命令解析模块的主要作用是对串口接收的数据进行解析，通过对接收的数据进行解析分析判断出是进行何种操作。根据我们自己规定的数据协议，进行如下的设计，首先我们将串口发送的数据的前 4 个数据存入一个缓冲区数据内，通过对功能码识别判断是写操作还是读操作，如果是写操作，就将后面待写入的数据存入 fifo 中；同时将器件地址、地址字节数、起始地址、数据字节数赋值给 I2C 对应的信号线；如果是读操作，就在前 4 个字节接收完成后将器件地址、地址字节数、起始地址、数据字节数赋值给 I2C 对应的信号线，同时给 I2C 控制器模块的读使能给一个时钟周期的门控信号，使能 I2C 的读操作。读出的数据同样也是先存放在另外一个 fifo 中，然后送给串口发送模块发出。具体实现代码如下： module cmd_analysis( Clk, Rst_n, Rx_done, Rx_data, Wfifo_req, Wfifo_data, Rddata_num, Wrdata_num, Wdaddr_num, Device_addr, Word_addr, Rd ); input Clk; //系统时钟 input Rst_n; //系统复位 input Rx_done; //串口接收一字节数据完成 input[7:0] Rx_data; //串口接收一字节数据 output reg Wfifo_req; //写 fifo 请求信号 output reg[7:0] Wfifo_data; //写 fifo 数据 output reg[5:0] Rddata_num; //I2C 总线连续读取数据字节数 output reg[5:0] Wrdata_num; //I2C 总线连续读取数据字节数 output reg[1:0] Wdaddr_num; //I2C 器件数据地址字节数 output reg[2:0] Device_addr; //EEPROM 器件地址 output reg[15:0] Word_addr; //EEPROM 寄存器地址 output reg Rd; //EEPROM 读请求信号 reg [7:0] buff_data[4:0];//串口接收数据缓存器 //串口接收数据计数器 reg [7:0]byte_cnt; always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) byte_cnt <= 8'd0; else if(Rx_done && byte_cnt==8'd4)begin if(buff_data[1]==8'hf2) //读数据指令 byte_cnt <= 8'd0; else if(buff_data[1]==8'hf1) //写数据指令 byte_cnt <= byte_cnt + 8'd1; else byte_cnt <= 8'd0; //错误指令 end else if(Rx_done)begin if(byte_cnt == 8'd4 + buff_data[4]) byte_cnt <= 8'd0; else byte_cnt <= byte_cnt + 8'd1; end else byte_cnt <= byte_cnt; end //串口接收数据缓存器 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n)begin buff_data[0] <= 8'h00; buff_data[1] <= 8'h00; buff_data[2] <= 8'h00; buff_data[3] <= 8'h00; buff_data[4] <= 8'h00; end else if(Rx_done && byte_cnt<5) buff_data[byte_cnt] <= Rx_data; else ; end //写 fifo 请求信号 Wfifo_req always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Wfifo_req <= 1'b0; else if(byte_cnt >8'd4 && Rx_done) Wfifo_req <= 1'b1; else Wfifo_req <= 1'b0; end //写 fifo 数据 Wfifo_data always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Wfifo_data <= 8'd0; else if(byte_cnt > 8'd4 && Rx_done) Wfifo_data <= Rx_data; else Wfifo_data <= Wfifo_data; end //EEPROM 读请求信号 Rd always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) Rd <= 1'b0; else if(byte_cnt == 8'd4 && Rx_done && buff_data[1]==8'hf2) Rd <= 1'b1; else Rd <= 1'b0; end //指令完成标志位 reg cmd_flag; always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n) cmd_flag <= 1'b0; else if((byte_cnt == 8'd4)&& Rx_done) cmd_flag <= 1'b1; else cmd_flag <= 1'b0; end //EEPROM 读写数据、寄存器地址字节数，器件地址，寄存器地址 always@(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if(!Rst_n)begin Rddata_num <= 6'd0; Wrdata_num <= 6'd0; Wdaddr_num <= 2'd0; Device_addr <= 3'd0; Word_addr <= 16'd0; end else if(cmd_flag == 1'b1)begin Rddata_num <= buff_data[4][5:0]; Wrdata_num <= buff_data[4][5:0]; Wdaddr_num <= buff_data[0][5:4]; Device_addr <= buff_data[0][2:0]; Word_addr <= {buff_data[2],buff_data[3]}; end else ; end endmodule下面编写 testbench 测试文件对设计的命令解析模块进行仿真验证，该仿真主要是分别模拟发送写数据操作和读数据操作指令，来观察相应的输出时序波形结果。通过仿真时序结果可以对该模块进行优化改进，具体的 testbench 文件如下： `timescale 1ns/1ns `define CLK_PERIOD 20 module cmd_analysis_tb; reg Clk; reg Rst_n; reg Rx_done; reg [7:0] Rx_data; wire Wfifo_req; wire[7:0] Wfifo_data; wire[5:0] Rddata_num; wire[5:0] Wrdata_num; wire[1:0] Wdaddr_num; wire[2:0] Device_addr; wire[15:0] Word_addr; wire Rd; reg [15:0] addr; reg [7:0] data_num; reg [7:0] wr_data; reg [39:0] wdata_cmd; reg [39:0] rdata_cmd; cmd_analysis cmd_analysis( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Rx_done(Rx_done), .Rx_data(Rx_data), .Wfifo_req(Wfifo_req), .Wfifo_data(Wfifo_data), .Rddata_num(Rddata_num), .Wrdata_num(Wrdata_num), .Wdaddr_num(Wdaddr_num), .Device_addr(Device_addr), .Word_addr(Word_addr), .Rd(Rd) ); //写 FIFO 模块例化 fifo_wr wr( .clock(Clk), .data(Wfifo_data), .rdreq(), .wrreq(Wfifo_req), .empty(), .full(), .q(), .usedw() ); //系统时钟产生 initial Clk = 1'b1; always #(`CLK_PERIOD/2)Clk = ~Clk; initial begin Rst_n = 0; Rx_done = 0; Rx_data = 0; addr = 0; data_num = 0; wr_data = 0; wdata_cmd = 0; rdata_cmd = 0; #(`CLK_PERIOD*200 + 1) Rst_n = 1; #200; addr = 0; data_num = 4; wr_data = 0; send_uart_data_wr; //写数据 #500; send_uart_data_rd; //读数据 #500; addr = 4; data_num = 8; wr_data = 20; send_uart_data_wr; //写数据 #500; send_uart_data_rd; //读数据 #500; $stop; end //串口发送写数据命令和待写入数据任务 task send_uart_data_wr; begin //写数据指令 wdata_cmd = {8'h21,8'hf1,addr[15:8],addr[7:0],data_num}; //发送写数据指令 repeat(5)begin Rx_done = 1; Rx_data = wdata_cmd[39:32]; #(`CLK_PERIOD) Rx_done = 0; #500; wdata_cmd = {wdata_cmd[31:0],8'h00}; end //待写入数据 Rx_data = wr_data; repeat(data_num)begin Rx_done = 1; Rx_data = Rx_data + 1; #(`CLK_PERIOD) Rx_done = 0; #500; end end endtask //串口发送读数据命令任务 task send_uart_data_rd; begin //读数据指令 rdata_cmd = {8'h21,8'hf2,addr[15:8],addr[7:0],data_num}; //发送读数据指令 repeat(5)begin Rx_done = 1; Rx_data = rdata_cmd[39:32]; #(`CLK_PERIOD) Rx_done = 0; #500; rdata_cmd = {rdata_cmd[31:0],8'h00}; end end endtask endmodule仿真过程主要是模拟命令解析模块接收到写或读 EEPROM 操作指令后的操作是否和我们设计想要达到的目标是否一致。这里的写或读数据指令均采用任务的形式，写数据指令下待写入的数据是采用给定一个值的基础上递增进行赋值的。命令解析模块仿真的结果如图 30.26 所示。图片根据波形时序图，在模拟发送写操作命令 0x21,0xf1,0x00,0x00,0x04,0x06,0x07,0x08,0x09 时，在接收完数据字节数这个数据后，后面收到的数据就存入到 fifo 中去了，与我们设计的是一致的，同理可以分析读数据操作命令，也是没有问题的，这样命令解析模块就设计完成了。下面就是整个系统的设计，如图 30.25 整体设计框图中，在 I2C 写数据操作之前和读数据后分别加入了 fifo 模块，因为串口读写速度和 I2C 读写速度不一样，在这之间加入的 fifo 模块具有读写时钟不一致的特点，可以对数据进行一个缓存，这样就能解决前后速度不一样的问题，这里的两个 fifo 均设置的是读取数据在读请求前有效，这样设计的目的是为了与其他模块待输入数据与使能信号相匹配，里面的 fifo模块都是通过 QuartusII 软件生成的 IP 核，fifo 输入输出数据位宽均设置为 8位，深度设置为 64（多字节读取最多支持 32 字节，稍大于这个数就可以了）。在各模块均设计完成后，整个系统的顶层电路设计就显得比较简单了，根据设计的系统框图进行整合就可以了。整个系统设计的代码如下： module uart_eeprom( Clk, Rst_n, Uart_rx, Uart_tx, Sda, Scl ); parameter Baud_set = 3'd4;//波特率设置,这里设置为 115200 input Clk; //系统时钟 input Rst_n; //系统复位 input Uart_rx; //串口接收 output Uart_tx; //串口发送 inout Sda; //I2C 时钟线 output Scl; //I2C 数据线 wire [7:0] Rx_data; //串口接收一字节数据 wire Rx_done; //串口接收一字节数据完成 wire wfifo_req; //写 FIFO 模块写请求 wire [7:0] wfifo_data; //写 FIFO 模块写数据 wire [5:0] wfifo_usedw; //写 FIFO 模块已写数据量 wire [5:0] rfifo_usedw; //读 FIFO 模块可读数据量 wire rfifo_rdreq; //读 FIFO 模块读请求 wire [5:0] Rddata_num; //I2C 总线连续读取数据字节数 wire [5:0] Wrdata_num; //I2C 总线连续写取数据字节数 wire [1:0] Wdaddr_num; //EEPROM 数据地址字节数 wire [2:0] Device_addr; //EEPROM 地址 wire [15:0] Word_addr; //EEPROM 寄存器地址 wire Wr; //EEPROM 写使能 wire [7:0] Wr_data; //EEPROM 写数据 wire Wr_data_vaild;//EEPROM 写数据有效标志位 wire Rd; //EEPROM 读使能 wire [7:0] Rd_data; //EEPROM 读数据 wire Rd_data_vaild;//EEPROM 读数据有效标志位 wire Done; //EEPRO 读写完成标识位 wire tx_en; //串口发送使能 wire [7:0] tx_data; //串口待发送数据 wire tx_done ; //一次串口发送完成标志位 //串口接收模块例化 uart_byte_rx uart_rx( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Rs232_rx(Uart_rx), .baud_set(Baud_set), .Data_Byte(Rx_data), .Rx_Done(Rx_done) ); //指令解析模块例化 cmd_analysis cmd_analysis( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Rx_done(Rx_done), .Rx_data(Rx_data), .Wfifo_req(wfifo_req), .Wfifo_data(wfifo_data), .Rddata_num(Rddata_num), .Wrdata_num(Wrdata_num), .Wdaddr_num(Wdaddr_num), .Device_addr(Device_addr), .Word_addr(Word_addr), .Rd(Rd) ); //写缓存 fifo 模块例化 fifo_wr fifo_wr( .clock(Clk), .data(wfifo_data), .rdreq(Wr_data_vaild), .wrreq(wfifo_req), .empty(), .full(), .q(Wr_data), .usedw(wfifo_usedw) ); //EEPROM 写使能 assign Wr = (wfifo_usedw == Wrdata_num)&& (wfifo_usedw != 6'd0); //I2C 控制模块例化 I2C I2C( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Rddata_num(Rddata_num), .Wrdata_num(Wrdata_num), .Wdaddr_num(Wdaddr_num), .Device_addr(Device_addr), .Word_addr(Word_addr), .Wr(Wr), .Wr_data(Wr_data), .Wr_data_vaild(Wr_data_vaild), .Rd(Rd), .Rd_data(Rd_data), .Rd_data_vaild(Rd_data_vaild), .Scl(Scl), .Sda(Sda), .Done(Done) ); //读缓存 fifo 模块例化 fifo_rd fifo_rd( .clock(Clk), .data(Rd_data), .rdreq(rfifo_rdreq), .wrreq(Rd_data_vaild), .empty(), .full(), .q(tx_data), .usedw(rfifo_usedw) ); //串口发送使能 assign tx_en = ((rfifo_usedw == Rddata_num)&&Done)|| ((rfifo_usedw < Rddata_num)&& (rfifo_usedw >0)&&tx_done); //读 FIFO 模块读请求 assign rfifo_rdreq = tx_en; //串口发送模块例化 uart_byte_tx uart_tx( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .send_en(tx_en), .baud_set(Baud_set), .Data_Byte(tx_data), .Rs232_Tx(Uart_tx), .Tx_Done(tx_done), .uart_state() ); endmodule下面对设计的整个系统进行编写 testbench 文件来仿真验证，整个仿真主要是通过串口发送模块模拟对该系统发送指令进行仿真验证，这里就只选用 M24LC64 这个仿真模型进行仿真，M24LC04 的仿真模型类似（读者可尝试对该模型进行仿真），编写的 testbench 文件具体代码如下： `timescale 1ns/1ns `define CLK_PERIOD 20 module uart_eeprom_tb; reg Clk; reg Rst_n; reg tx_en; reg [7:0] tx_data; wire tx_done; wire Uart_rx; wire Uart_tx; wire Sda; wire Scl; reg [15:0] addr; reg [7:0] data_num; reg [7:0] wr_data; reg [39:0] wdata_cmd; reg [39:0] rdata_cmd; localparam Baud_set = 3'd4; //波特率设置,这里设置为 115200 localparam DevAddr = 3'b000;//I2C 器件的器件地址 localparam WdAr_NUM = 2'd2; //I2C 器件的存储器地址字节数 //串口发送模块例化 uart_byte_tx uart_tx( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .send_en(tx_en), .baud_set(Baud_set), .Data_Byte(tx_data), .Rs232_Tx(Uart_rx), .Tx_Done(tx_done), .uart_state() ); //串口读写 EEPROM 模块例化 uart_eeprom #(.Baud_set(Baud_set)) uart_eeprom( .Clk(Clk), .Rst_n(Rst_n), .Uart_rx(Uart_rx), .Uart_tx(Uart_tx), .Sda(Sda), .Scl(Scl) ); //EEPROM 模型例化 M24LC64 M24LC64( .A0(1'b0), .A1(1'b0), .A2(1'b0), .WP(1'b0), .SDA(Sda), .SCL(Scl), .RESET(!Rst_n) ); //系统时钟产生 initial Clk = 1'b1; always #(`CLK_PERIOD/2)Clk = ~Clk; initial begin Rst_n = 0; tx_data = 0; tx_en = 0; addr = 0; data_num = 0; wr_data = 0; wdata_cmd = 0; rdata_cmd = 0; #(`CLK_PERIOD*200 + 1) Rst_n = 1; #200; addr = 0; data_num = 4; wr_data = 0; send_uart_data_wr;//写数据 @(posedge uart_eeprom.I2C.Done); #500; send_uart_data_rd;//读数据 @(posedge uart_eeprom.I2C.Done); #500; addr = 4; data_num = 8; wr_data = 20; send_uart_data_wr;//写数据 @(posedge uart_eeprom.I2C.Done); #500; send_uart_data_rd;//读数据 @(posedge uart_eeprom.I2C.Done); //从 EEPROM 读出的数据串口发送出去，等待发送完成 repeat(data_num)begin @(posedge uart_eeprom.tx_done); end #5000; $stop; end //串口发送写数据命令和待写入数据任务 task send_uart_data_wr; begin //写数据指令 wdata_cmd = {{2'b00,WdAr_NUM,1'b0,DevAddr},8'hf1, addr[15:8],addr[7:0],data_num}; //发送写数据指令 repeat(5)begin tx_en = 1; tx_data = wdata_cmd[39:32]; #(`CLK_PERIOD) tx_en = 0; @(posedge tx_done) #100; wdata_cmd = {wdata_cmd[31:0],8'h00}; end //待写入数据 tx_data = wr_data; repeat(data_num)begin tx_en = 1; tx_data = tx_data + 1; #(`CLK_PERIOD) tx_en = 0; @(posedge tx_done) #100; end end endtask //串口发送读数据命令任务 task send_uart_data_rd; begin //读数据指令 rdata_cmd = {{2'b00,WdAr_NUM,1'b0,DevAddr},8'hf2, addr[15:8],addr[7:0],data_num}; //发送读数据指令 repeat(5)begin tx_en = 1; tx_data = rdata_cmd[39:32]; #(`CLK_PERIOD) tx_en = 0; @(posedge tx_done) #100; rdata_cmd = {rdata_cmd[31:0],8'h00}; end end endtask endmodule仿真过程主要是通过串口发送模块模拟对该系统发送读写指令进行仿真验证，分别进行了 2 次写和读指令的发送，读指令主要是对刚写入地址的数据进行读出，我们可以通过观察时序波形图，比较写入数据与读出数据是否一致来验证系统设计的正确性。如图 30.27 为系统仿真波形时序图。图片分别对一次写数据指令和一次读数据指令的波形进行放大后观察分析，如图 30.28 和图30.29 分别为一次对 EEPROM 写数据过程和读数据过程的波形时序图。图片这次写数据过程的仿真是通过串口发送模块模拟发送指令数据 0x21,0xf1,0x00,0x00,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08，向 EEPROM 中起始地址为 0 开始写入 0x05,0x06,0x07,0x08 四个数据，可以通过观察图 30.28 的中 SDA 和 SCL 波形图分析得知，写入的数据确实是这四个数据，说明系统中串口写 EEPROM 部分是没有问题的。读数据过程的仿真是通过串口发送模块模拟发送指令数据 0x21,0xf2,0x00,0x00,0x04，向 EEPROM 中起始地址为 0 开始读出四个数据，通过观察图 30.29 的中 SDA和 SCL 波形图分析得知，读出的四个数据为 0x05,0x06,0x07,0x08，与之前在这些地址写入的数据是一致的，说明这次的读数据时没有问题的，同样的方式经过多次的验证，串口读写 EEPROM 系统是可以正常工作的。仿真验证进行完成后，接下来就是进行板级验证，先是引脚的分配，本实验板级验证平台是 AC620 开发板，根据开发板的引脚分配表对本实验所用引脚进行分配。如图 30.30 是 AC620 开发板上 EEPROM 部分的硬件原理图，在引脚分配之前，是需要对这一块硬件电路有所了解的。图片细心的读者会发现，I2C 时钟线 SCL 和 I2C 数据线没有进行硬件上拉处理，与前面讲解的需要上拉处理不一样，可能会猜想是硬件设计的问题。这里我说明一下，硬件设计是没有问题的，因为对于 FPGA 是可以通过软件对引脚进行上拉处理的，这个也是本实验包含的一个知识点。通过 Quartus II 软件将管脚设置为上拉电阻（弱上拉）的方法，具体的步骤如下： 1.在菜单 Assignments 中选择 Pin Planner，也可以直接点击面板上引脚分配的图标图片 2.这样进入引脚分配的界面，在弹出的 Pin Planner 界面的 All Pins 区域里点击鼠标右键，找到 Customize Columns。图片在弹出的 Customize Columns 对话框的左列表框选择 Weak Pull-Up Resistor，再点击，把 Weak Pull-Up Resistor 添加到右列表框，这样在 Pin Planner 的 All Pins 区域里就有一列 Weak Pull-Up Resistor 的设置项。图片再把需要上拉的 SDA 和 SCL 在其对应的 Weak Pull-Up Resistor 列的位置双极鼠标左键，就会弹出一个 Off/On 的选项，选上 On 就可以了。最后完成后的设置如下：图片引脚分配和上拉设置完成后，对我们设计的系统顶层文件进行综合布局布线生成 sof 下载文件，然后下载到 AC620 实验平台进行板级验证。板级验证需要用到串口软件工具，这里使用的是名叫格西烽火的串口工具，选择对应的开发板的串口号和波特率，系统设计的波特率在顶层文件 uart_eeprom 中可进行设置，这里我们设置的波特率为115200bps。板级验证时，我们先往 EEPROM 里写入一些数据，也就是在串口发送 6 组数据，每组数据写入四个数据；写完后发送读数据命令，读出写入的数据，分两次读，一次读 20个数据，一次读 4 个数据，具体的发送读写指令操作和串口接收的数据如下图：图片从串口发送和接受的数据分析可得，从 EEPROM 读出的 20 个数据和写入的 20 个数据是一样的，这就说明，设计的整个系统是工作正常的，读者可以多次进行多组测试来验证设计的完整性，整个的测试还可以利用 Quartus II 软件中的 SignalTap II Logic Analyzer 工具对 SDA 和 SCL 的波形进行抓取分析系统设计的正确性，这里就不详细的说明了，读者可以自己进行尝试。整个串口读写 EEPROM 的系统设计就算完成了，里面还有很多需要完善的地方，读者可以在学习完成后，对本实验进行改进和拓展。本节小结本节主要从二线制 I2C 协议的基本知识和概念、 I2C 器件之间数据通信过程，比较全面的了解了 I2C 协议，并以此设计一个可进行读写操作的 I2C 控制器，结合前面设计的串口收发模块和 FIFO 模块设计了一个简易应用，实现了串口对 EEPROM 存储器的读写功能，并进行相应的板级验证。读者可以在此基础上进行一定的优化和拓展，AC620实验开发板上还有音频模块和时钟模块挂在在 I2C 总线上，读者可以利用这些模块实现更丰富的应用

FPGA&ASIC # ASIC/FPGA # 小实验

刘航宇 3年前
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关于作者：刘航宇，FPGA工程师，西北大学电子系硕士，有多年西北大学电子通信考研辅导和FPGA与嵌入式项目指导经验

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2026-09-07

很好的插件。感谢！