PotatoPie 4.0 实验教程(44) —— FPGA实现RISC-V 扩展I2C功能

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工程介绍

该工程主要用于验证RISC-V的I2C读写测试。该工程首先向OV5640这个摄像头sensor发送读取ID的指令，然后获取返回的ID值来确认I2C读写是否正常，正常读出的值应是0x5640。

APB-I2C_Master软核介绍

RISC-V中的I2C硬件电路是通过在FPGA中启用安路的APB-I2C_Master软核来实现的，我们的RISC-V TD demo工程中默认开启了该配置。该IP的代码是开放的，就在工程中，可以自行查看。

APB-I2C Master 外设，其结构框图如下图所示：

其寄存器地址分配和功能描述如下表所示

APB-I2C_Master 寄存器分配表

地址	功能
0x0	I2C 控制寄存器
0x4	I2C 命令状态寄存器
0xC	I2C 收发缓存
0x0 I2C 控制寄存器
[31:24]	[23]	[22]	[21:16]	[15:0]
保留	I2C 模块使能	I2C 中断使能	保留	I2C 分频计数值
0x4 I2C 命令状态寄存器
[15]	[14]	[13]	[12:10]	[9]	[8]	[7:0]
接收 ACK	I2C 模块忙	仲裁失败	保留	发送忙	中断标志	命令
I2C 命令定义
[7]	[6]	[5]	[4]	[3]	[2:1]	[0]
启动传输	终止传输	执行读	执行写	ACK 选择	保留	中断清除
0xC I2C 收发缓存
读	读取 I2C 接收缓存
写	写入 I2C 发送缓存

I2C速率分频值计算

以100KHZ的I2C为例，其分频寄存器的值计算式为：𝐶_𝑃𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 = f_sysclk/(5*100kHZ) -1，其中f_sysclk为系统时钟，

代码分析

代码的其它部分与前面的UART和SPI工程没有什么差别，都是先打印banner信息，主要区别是这个工程中添加了红框中的代码。

红框中的代码一一解释如下：

ov5640_PWDN_GPIO_PORT->GPIO_INTMASK =0x00000000;用于设置GPIO的中断

ov5640_PWDN_GPIO_PORT->OUTPUT_ENABLE=0x000000FF; 配置GPIO的输出使能

下面这三代码用于测试GPIO的输出，方便调试。

ov5640_PWDN_GPIO_PORT->OUTPUT |=0x00000003;
ov5640_PWDN_GPIO_PORT->OUTPUT =0x00000000;
ov5640_PWDN_GPIO_PORT->OUTPUT |=0x00000003;

i2c_init(I2C, SYS_FREQ/(5*300000), True, False); 初始化I2C接口

ov5640_init(); 初始化OV5640摄像头，这部分实现的功能与前面纯FPGA代码初始化摄像头的功能是一样的，验证ID读取的功能也是在ov5640_init()中实现的。

RISC-V I2C相关函数说明

下面是I2C所有相关函数的说明，代码是开放的，可以自行查看。

i2c_init(I2c_Reg *reg, uint16_t psc, uint8_t i2c_enable,uint8_t int_enable)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针 psc I2C 分频器计数值 Psc = 𝑓𝑆𝑦𝑠 5∗100𝐾𝐻𝑧 i2c_enable I2C 使能，非 0 则使能 int_enable I2C 操作完成中断使能，非 0 则使能
返回值	无
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	进行 I2C 配置

uint8_t i2c_flag_get(I2c_Reg *reg,uint8_t req)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针 req 读取目标选择（RXACK 从机响应 BUSY I2C 控制器忙 TIP 传输进行中 IRQ 中断等待）
返回值	返回非零，对应状态有效

文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	读取 I2C 状态

i2c_write_addr(I2c_Reg *reg,uint8_t addr,uint8_t dir)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针 addr 从机地址 dir 数据读写选择
返回值	无
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	启动传输，并向 I2C 总线发送地址

i2c_data_transmit(I2c_Reg *reg,uint8_t data)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针 data 发送数据
返回值	无
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	I2C 发送数据

uint8_t i2c_data_receive(I2c_Reg *reg)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针
返回值	接收数据字节
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	进行 I2C 接收

i2c_send_stop(I2c_Reg *reg)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针

返回值	无
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	I2C 总线停止传输

i2c_clear_intflag(I2c_Reg *reg)
参数	*reg I2c_Reg 寄存器指针
返回值	无
文件	StdPeriphLib/i2c.h
作用	清除 I2C 中断状态标志

用户操作流程：

发起访问需要首先使用 i2c_write_addr()函数向 I2C 总线写外设地址，并通过返回的 ACK 判断是否成功和外设握手。如需继续进行写传输，则使用 i2c_data_transmit()函数向 I2C 总线发送数据，并从返回的 ACK 位判断从机是否有正常响应。如需从 I2C 总线上读取，则使用 i2c_data_receive()函数从 I2C 上获得数据（注意该函数返回值中不包含 ACK，如果需要读取 ACK 状态，需要用户自行使用 i2c_get_rxack()函数获取）。

ov5640_init函数说明

uint16_t chip_id;
    /* ov5640模块硬件初始化 */
    ov5640_hw_init();
    /* ov5640模块退出掉电模式 */
    ov5640_exit_power_down();
    /* ov5640模块硬件复位 */
    ov5640_hw_reset();
    
    chip_id = ov5640_get_chip_id();
    anl_printf("ID:0x%04x\r\n",chip_id);
    if (chip_id != ov5640_CHIP_ID)
    {
        return ov5640_ERROR;
    }

    ov5640_sw_reset();
    ov5640_init_reg();

上面的代码先是进行摄像头控制IO的电平初始化，然后让摄像头进入掉电模式，然后复位摄像头。接下来ov5640_get_chip_id()用于读取摄像头传感器ID。如果读取的ID获合预期，则对OV5640进一一个软复位，然后对其进行初始化寄存器的配置。