第24课: I2C EEPROM

I2C协议+设备地址+START/STOP条件+EEPROM读写

🏆 读写EEPROM仿真 ✅ Verilator仿真验证通过

📖 核心概念

I2C协议：两线制(SCL+SDA)，多设备共享总线
START条件：SCL高时SDA下降沿
STOP条件：SCL高时SDA上升沿
设备地址：0xA0(写)/0xA1(读)，7位地址+R/W位
ACK/NACK：每字节后接收方拉低SDA确认

💡 关键思路：本课的核心是I2C协议——两线制(SCL+SDA)，多设备共享总线。

💻 Verilog设计代码

设计模块源码——这是你真正要理解的硬件逻辑：

// 第24课: I2C EEPROM - 读写EEPROM仿真
module i2c_eeprom (
    input  wire        clk,
    input  wire        rst_n,
    input  wire        cmd_valid,
    input  wire        cmd_wr,    // 0=read, 1=write
    input  wire [7:0]  addr,
    input  wire [7:0]  wr_data,
    output reg  [7:0]  rd_data,
    output reg         rd_valid,
    output reg         busy,
    // I2C总线信号
    output reg         i2c_scl,
    output reg         i2c_sda_out,
    output reg         i2c_sda_oe  // SDA方向: 1=驱动, 0=释放
);

// EEPROM存储: 256字节
reg [7:0] eeprom_mem [0:255];
integer i;
initial begin
    for (i = 0; i < 256; i = i + 1)
        eeprom_mem[i] = 8'hFF;
end

// I2C时序状态机
reg [3:0] state;
reg [4:0] bit_cnt;
reg [7:0] addr_reg, data_reg;
reg       is_write;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        i2c_scl <= 1; i2c_sda_out <= 1; i2c_sda_oe <= 0;
        rd_data <= 0; rd_valid <= 0; busy <= 0;
        state <= 0; bit_cnt <= 0;
        addr_reg <= 0; data_reg <= 0; is_write <= 0;
    end else begin
        rd_valid <= 0;
        
        case (state)
            0: begin // 空闲
                i2c_scl <= 1; i2c_sda_out <= 1; i2c_sda_oe <= 0;
                if (cmd_valid) begin
                    busy <= 1;
                    addr_reg <= addr;
                    data_reg <= wr_data;
                    is_write <= cmd_wr;
                    state <= 1;
                    bit_cnt <= 0;
                end
            end
            1: begin // START条件: SCL高时SDA下降
                i2c_sda_out <= 0; i2c_sda_oe <= 1;
                state <= 2;
            end
            2: begin // 发送设备地址: 0xA0(写) 或 0xA1(读)
                i2c_scl <= 0;
                if (bit_cnt < 8) begin
                    begin
                        reg [7:0] dev_addr;
                        dev_addr = is_write ? 8'hA0 : 8'hA1;
                        i2c_sda_out <= dev_addr[7 - bit_cnt[2:0]];
                    end
                    i2c_scl <= 1;
                    bit_cnt <= bit_cnt + 1;
                end else begin
                    // ACK
                    i2c_sda_oe <= 0; // 释放SDA
                    i2c_scl <= 1;
                    bit_cnt <= 0;
                    state <= 3;
                end
            end
            3: begin // 发送存储地址
                i2c_scl <= 0;
                if (bit_cnt < 8) begin
                    i2c_sda_out <= addr_reg[7 - bit_cnt[2:0]];
                    i2c_sda_oe <= 1;
                    i2c_scl <= 1;
                    bit_cnt <= bit_cnt + 1;
                end else begin
                    i2c_sda_oe <= 0;
                    i2c_scl <= 1;
                    bit_cnt <= 0;
                    state <= 4;
                end
            end
            4: begin // 数据阶段
                i2c_scl <= 0;
                if (is_write) begin
                    // 写入数据
                    if (bit_cnt < 8) begin
                        i2c_sda_out <= data_reg[7 - bit_cnt[2:0]];
                        i2c_sda_oe <= 1;
                        i2c_scl <= 1;
                        bit_cnt <= bit_cnt + 1;
                    end else begin
                        eeprom_mem[addr_reg] <= data_reg;
                        rd_data <= data_reg;
                        rd_valid <= 1;
                        state <= 5;
                    end
                end else begin
                    // 读取数据
                    if (bit_cnt < 8) begin
                        i2c_sda_oe <= 0;
                        i2c_scl <= 1;
                        bit_cnt <= bit_cnt + 1;
                    end else begin
                        rd_data <= eeprom_mem[addr_reg];
                        rd_valid <= 1;
                        state <= 5;
                    end
                end
            end
            5: begin // STOP条件: SCL高时SDA上升
                i2c_scl <= 0;
                i2c_sda_out <= 0; i2c_sda_oe <= 1;
                state <= 6;
            end
            6: begin
                i2c_scl <= 1;
                i2c_sda_out <= 1; // STOP
                busy <= 0;
                state <= 0;
            end
        endcase
    end
end

endmodule

🧪 测试平台(Testbench)

testbench = 你的"手柄+屏幕"，模拟输入、验证输出：

/* verilator lint_off WIDTHEXPAND */
/* verilator lint_off WIDTHTRUNC */
/* verilator lint_off UNOPTFLAT */
module tb;

reg clk, rst_n;
reg cmd_valid, cmd_wr;
reg [7:0] addr, wr_data;
wire [7:0] rd_data;
wire rd_valid, busy;
wire i2c_scl, i2c_sda_out, i2c_sda_oe;

i2c_eeprom uut (
    .clk(clk), .rst_n(rst_n),
    .cmd_valid(cmd_valid), .cmd_wr(cmd_wr),
    .addr(addr), .wr_data(wr_data),
    .rd_data(rd_data), .rd_valid(rd_valid), .busy(busy),
    .i2c_scl(i2c_scl), .i2c_sda_out(i2c_sda_out), .i2c_sda_oe(i2c_sda_oe)
);

always clk = #10 ~clk;

task send_cmd;
    input wr;
    input [7:0] a;
    input [7:0] d;
    begin
        while (busy) @(posedge clk);
        cmd_wr = wr; addr = a; wr_data = d; cmd_valid = 1;
        @(posedge clk); cmd_valid = 0;
    end
endtask

initial begin
    $dumpfile("i2c.vcd"); $dumpvars(0, tb);
    clk = 0; rst_n = 0; cmd_valid = 0;
    cmd_wr = 0; addr = 0; wr_data = 0;
    repeat(5) @(posedge clk); rst_n = 1;
    
    $display("=== I2C EEPROM仿真 ===");
    $display("读写EEPROM仿真");
    $display("");
    
    $display("--- I2C EEPROM参数 ---");
    $display("  设备地址: 0xA0(写) / 0xA1(读)");
    $display("  容量: 256字节");
    $display("  协议: I2C, 标准模式(100kHz)");
    $display("  时序: START + 设备地址 + 存储地址 + 数据 + STOP");
    $display("");
    
    // 测试1: 写0xBE到地址0
    $display("--- 测试1: 写0xBE到地址0 ---");
    send_cmd(1, 8'h00, 8'hBE);
    while (busy) @(posedge clk);
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  EEPROM[0]=0x%02h (期望0xBE)", uut.eeprom_mem[0]);
    if (uut.eeprom_mem[0] == 8'hBE)
        $display("  ✅ 写入正确");
    
    // 测试2: 读地址0
    $display("");
    $display("--- 测试2: 读地址0 ---");
    send_cmd(0, 8'h00, 8'h00);
    while (busy) @(posedge clk);
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  读回: eeprom[0]=0x%02h", uut.eeprom_mem[0]);
    if (uut.eeprom_mem[0] == 8'hBE)
        $display("  ✅ 读回正确");
    
    // 测试3: 多字节写入
    $display("");
    $display("--- 测试3: 多字节写入 ---");
    send_cmd(1, 8'h10, 8'hCA);
    while (busy) @(posedge clk);
    send_cmd(1, 8'h11, 8'hFE);
    while (busy) @(posedge clk);
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  EEPROM[0x10]=0x%02h, [0x11]=0x%02h", uut.eeprom_mem[16], uut.eeprom_mem[17]);
    if (uut.eeprom_mem[16] == 8'hCA && uut.eeprom_mem[17] == 8'hFE)
        $display("  ✅ 多字节写入正确 (0xCAFE!)");
    
    // 测试4: 验证未写入地址仍为0xFF
    $display("");
    $display("--- 测试4: 未写入区域 ---");
    $display("  EEPROM[0x80]=0x%02h (期望0xFF)", uut.eeprom_mem[128]);
    if (uut.eeprom_mem[128] == 8'hFF)
        $display("  ✅ 未写入区域保持0xFF");
    
    $display("");
    $display("✅ 读写EEPROM仿真验证通过!");
    $display("🏆 成就解锁: 读写EEPROM仿真!");
    $finish;
end

endmodule

✅ 仿真输出

运行 verilator --cc *.sv --exe sim_main.cpp --top-module tb --timing --trace --build -j 4 -o sim 后的输出：

=== I2C EEPROM仿真 === 读写EEPROM仿真 --- I2C EEPROM参数 --- 设备地址: 0xA0(写) / 0xA1(读) 容量: 256字节协议: I2C, 标准模式(100kHz) 时序: START + 设备地址 + 存储地址 + 数据 + STOP --- 测试1: 写0xBE到地址0 --- EEPROM[0]=0xbe (期望0xBE) ✅ 写入正确 --- 测试2: 读地址0 --- 读回: eeprom[0]=0xbe ✅ 读回正确 --- 测试3: 多字节写入 --- EEPROM[0x10]=0xca, [0x11]=0xfe ✅ 多字节写入正确 (0xCAFE!) --- 测试4: 未写入区域 --- EEPROM[0x80]=0xff (期望0xFF) ✅ 未写入区域保持0xFF ✅ 读写EEPROM仿真验证通过! 🏆 成就解锁: 读写EEPROM仿真! - tb.sv:92: Verilog $finish

🔧 编译和运行

# 编译
verilator --cc *.sv --exe sim_main.cpp --top-module tb --timing --trace \
  --build -j 4 -o sim \
  -Wno-WIDTHEXPAND -Wno-WIDTHTRUNC -Wno-UNOPTFLAT \
  -Wno-TIMESCALEMOD -Wno-STMTDLY -Wno-WIDTH \
  -Wno-UNSIGNED -Wno-SELRANGE -Wno-BLKSEQ

# 运行
./obj_dir/sim

# 查看波形(可选)
gtkwave sim.vcd

🏆

读写EEPROM仿真

✅ Verilator仿真验证通过

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🧠 知识扩展

I2C协议：I2C(内部集成电路)由Philips发明，两线制(SCL+SDA)，支持多主多从。标准模式100kHz，快速模式400kHz。7位地址空间支持128个设备。

EEPROM特性：EEPROM按页写入(通常8-128字节)，写入后需要twr时间(5-10ms)完成。读取无限制。AT24C02=2Kbit=256字节，是最常见的I2C EEPROM。

⚡ 性能提示

• 使用--trace选项生成VCD波形文件，用GTKWave查看

• 使用-j 4选项并行编译，加快构建速度

• 使用--build选项让Verilator自动调用make

• 大量$display输出会拖慢仿真速度，验证通过后可以减少打印频率