【I2C】基于SystemVerilog的16比特I/O拓展芯片TCA6416A读写控制

功能简介

本文基于Xilinx Virtex Ultrascale+HBM VCU128 FPGA开发板，通过利用开发板上的TCA6416A芯片，对I2C通信方式进行学习。
根据VCU128用户手册，128中具有两条I2C总线，其中一条连接有4个I2C芯片，能够与系统监视器（SYSMON）、EEPROM、QSFP等硬件资源进行通信。

根据手册介绍，TCA6416A芯片为I/O拓展芯片，PCA9544A、PCA9548A芯片为1-4、1-8通道总线交换芯片。两块TCA9548A芯片的使用需要先保证TCA6416A芯片的ICC_MUX_RESET-B引脚为高阻态或高电平，因此本文对利用FPGA控制TCA6416A芯片的I2C通信进行介绍。
在实际使用中，Xilinx配置TCA6416A芯片的ADDR引脚为0，在FPGA上访问TCA6416A芯片的SCL、SDA引脚可通过如下约束设置，对应BANK67的BL28、BM27引脚。

set_property BOARD_PART_PIN IIC0_SCL_MAIN [get_ports i2c_0_scl]
set_property BOARD_PART_PIN IIC0_SDA_MAIN [get_ports i2c_0_sda]

TCA6416A芯片介绍

TCA6416A为TI公司生产的I2C转16比特I/O拓展芯片，芯片手册，该芯片能够利用I2C协议进行16个通用引脚（分为2组：P00-P07，P10-P17）的读写访问，每个引脚支持设置为输入、输出两种模式。

ADDR引脚用于设置TCA6416A的I2C通信地址，如下图所示，TCA6416A的地址包含一个可编程位，在VCU128中，该位被设置为0。

TCA6416A的I/O Port为2组8比特通用IO引脚，在通过I2C通信进行使用时会通过8种指令读写8个寄存器，进而实现IO引脚的间接访问。这些操作会通过组的形式对2组8比特IO引脚进行访问。

在使用时，TCA6416A的I2C总线包含标准模式、快速模式两种，其中标准模式下SCL的时钟频率不能超过100KHz，快速模式下SCL的时钟频率不能超过400KHz。本文使用标准模式，时钟频率100KHz。

I2C发送端逻辑实现

I2C是一种采用报文方式传输的串行通信方式，每次发送过程包含一个发送端和一个接收端。从发送端角度看由输出引脚SCL与输入输出引脚SDA构成，其中SDA为每次传输的数据，SCL为代表每次传输数据有效的高电平有效选通信号（时钟信号）。除了报文的开始位和结束位以外，SDA只能在SCL为低电平时发生变化，在SCL为高电平时应保持不变。

I2C传输的报文格式如下，包含1个开始位（S）、8个数据位（1个字节）、1个确认位（ACK）、1个停止位（P）。开始位由发送端发送，在发送完成后，可以进行多次数据位、确认位的交替传输，在最终交互完成后，由发送端发送停止位表示本次通信结束。在发送端发送完8个字节数据后，接收端会占用SDA发送确认位用于表明当前状态，类似一种响应信号。发送端可以根据接收端发送的确认位决定下一步的行动。

对于TCA6416A芯片，I2C传输可分为两种类型的操作。

写操作

根据手册，对于TCA6416A芯片的写操作格式如下，Target Address为TCA6416A芯片的地址，Command Byte为本次访问的操作名称，后续Data0、Data1为写入的数据。下图展示了利用0x20指令写端口0的指令。

下面展示了进行I2C写操作的状态机：

  always_comb begincase (fsm_r)RESET: beginif (itf_rst_done) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = RESET;endendIDLE: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginif (START_flag_r) beginfsm_s = ADDR_START;end else beginfsm_s = IDLE;endend else beginfsm_s = IDLE;endendADDR_START: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = ADDR_DATA;end else beginfsm_s = ADDR_START;endendADDR_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = ADDR_ACK;end else beginfsm_s = ADDR_DATA;endendADDR_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) begin// if (STOP_flag_r) beginif (1'b0) beginfsm_s = ADDR_STOP;end else beginfsm_s = CMD_DATA; // ADDR_STOP;endend else beginfsm_s = ADDR_ACK;endendADDR_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = ADDR_STOP;endendCMD_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = CMD_ACK;end else beginfsm_s = CMD_DATA;endendCMD_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) begin// if (STOP_flag_r) beginif (1'b0) beginfsm_s = CMD_STOP;end else beginif (RWn_flag_r) beginfsm_s = SECADDR_START; // ADDR_STOP;end else beginfsm_s = WR_DATA; // ADDR_STOP;endendend else beginfsm_s = CMD_ACK;endendCMD_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = CMD_STOP;endendWR_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = WR_ACK;end else beginfsm_s = WR_DATA;endendWR_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginif (STOP_flag_r) beginfsm_s = WR_STOP;end else beginfsm_s = WR_DATA;endend else beginfsm_s = WR_ACK;endendWR_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = WR_STOP;endenddefault: beginfsm_s = RESET;endendcaseend

读操作

TCA6416A芯片的读操作格式如下，在进行读操作前，需要先通过写操作设置指令。使得TCA6416A芯片得知后续对哪个寄存器进行读操作。之后再利用开始位（S）重启读操作。下图展示了利用0x20指令读端口0的I2C格式。
在读操作中，在FPGA进行I2C读操作时，后续I2C总线将由TCA6416A芯片发送8个数据位，由FPGA发送确认位（ACK），如下图所示。

下面展示了进行I2C读操作的状态机：

   always_comb begincase (fsm_r)RESET: beginif (itf_rst_done) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = RESET;endendIDLE: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginif (START_flag_r) beginfsm_s = ADDR_START;end else beginfsm_s = IDLE;endend else beginfsm_s = IDLE;endendADDR_START: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = ADDR_DATA;end else beginfsm_s = ADDR_START;endendADDR_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = ADDR_ACK;end else beginfsm_s = ADDR_DATA;endendADDR_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) begin// if (STOP_flag_r) beginif (1'b0) beginfsm_s = ADDR_STOP;end else beginfsm_s = CMD_DATA; // ADDR_STOP;endend else beginfsm_s = ADDR_ACK;endendADDR_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = ADDR_STOP;endendCMD_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = CMD_ACK;end else beginfsm_s = CMD_DATA;endendCMD_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) begin// if (STOP_flag_r) beginif (1'b0) beginfsm_s = CMD_STOP;end else beginif (RWn_flag_r) beginfsm_s = SECADDR_START; // ADDR_STOP;end else beginfsm_s = WR_DATA; // ADDR_STOP;endendend else beginfsm_s = CMD_ACK;endendCMD_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = CMD_STOP;endendSECADDR_START: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = SECADDR_DATA;end else beginfsm_s = SECADDR_START;endendSECADDR_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = SECADDR_ACK;end else beginfsm_s = SECADDR_DATA;endendSECADDR_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) begin// if (STOP_flag_r) beginif (1'b0) beginfsm_s = SECADDR_STOP;end else beginfsm_s = RD_DATA; // ADDR_STOP;endend else beginfsm_s = SECADDR_ACK;endendSECADDR_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = SECADDR_STOP;endendRD_DATA: beginif (single_bit_hold_flag_r && pos_cnt_r == 4'd7) beginfsm_s = RD_ACK;end else beginfsm_s = RD_DATA;endendRD_ACK: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginif (STOP_flag_r) beginfsm_s = RD_STOP;end else beginfsm_s = RD_DATA;endend else beginfsm_s = RD_ACK;endendRD_STOP: beginif (single_bit_hold_flag_r) beginfsm_s = IDLE;end else beginfsm_s = RD_STOP;endenddefault: beginfsm_s = RESET;endendcaseend

仿真测试

仿真模拟了利用VIO输入0x02端口0引脚读写指令后FPGA的工作过程。其中蓝色高阻态用于TCA6416A发来的响应信息。

    initial begin // write to Output Port Registerforce i2c_top_inst.CMD_vec_r    = 8'b00000010;   force i2c_top_inst.wrDATA_vec_r   = 8'h6a;force i2c_top_inst.START_flag_r = 1'b1;force i2c_top_inst.RWn_flag_r   = 1'b1;force i2c_top_inst.wrACK_flag_r   = 1'b0;force i2c_top_inst.STOP_flag_r  = 1'b1;end