【紫光同创国产FPGA教程】【第二十二章】RTC时间实验
1. 实验简介 实验通过阅读ds1302芯片手册，了解ds1302操作时序和相关寄存器，然后设计程序将ds1302 rtc时间通过串口发送到pc，通过串口调试助手可以看到时间信息。
2. 实验原理 rtc（real-time clock)实时时钟为系统提供一个可靠的时间，并且在断电的情况下，rtc实时时钟也可以通过电池供电，一直运行下去。rtc通过类spi总线向fpga传送8位数据（bcd码）。数据包括秒，分，小时，日期，天，月和年。在本实验中我们将读取rtc的时,分,秒的数据通过串口发送到pc。
2.1 硬件介绍
开发板上rtc设计采用dallas公司的低功耗实时时钟芯片ds1302, ds1302的vcc2为主电源，vcc1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也可以通过电池保持时钟的连续运行。ds1302外接32.768khz晶振为rtc电路提供振荡源。 rtc部分的原理图如下图所示：
开发板rtc
2.2 ds1302时序和控制
1）写数据时序
ds1302芯片写操作的时序图。第一个字节是“访问寄存器的地址”，第二字节是“写数据”。在写操作的时候，都是“上升沿有效”，然而还有一个条件，就是ce（/rst）信号必须拉高。（数据都是从lsb开始发送，亦即是最低位开始至最高位结束）。
ds1302写时序
2）读数据时序
基本上和写操作的时序图大同小异，区别的地方就是在第二个字节是“读数据”的动作。第二字节读数据开始时，sclk信号都是下降沿送出数据，这个时候可以使用上升沿读取数据。ce（/rst）信号同样是必须拉高。（第一节数据是从lsb开始输出，第二节数据是从lsb开始读入）。
3）命令格式和寄存器
无论是读操作还是写操作，在时序图中，第一个字节都是“访问寄存器的地址”，然而这一字节数据有自己的格式。
bit 7 固定。 bit 6 表示是访问寄存器本身，还是访问ram空间。 bit 5 到bit1 表示是寄存器或ram空间的地址。 bit 0 表示是访问寄存器本身是写操作，还是读操作。
下图是ds1302的寄存器地址和数据格式
3. 程序设计 通过分析ds1302读写时序，可以看出和spi时序类似，只不过数据输出和输入分时复用了，本实验利用spi master模块来做为ds1302的底层读写控制模块，然后再编写一个rtc读写模块。
ds1302_io模块完成ds1302寄存器读写控制，状态机如下图所示。
状态“s_idle”空闲状态，收到读写寄存器请求写进入“s_ce_high”状态，将ce拉高，然后根据请求类型，进入读（s_read）或写状态(s_write)。
“s_write”状态下一个状态进入写地址状态“s_write_addr”,再进入写数据状态“s_write_data”，完成一个寄存器的写入，最后应答，拉低ce。
“s_read”状态下一个状态进入读地址状态“s_read_addr”,再进入读数据状态“s_read_data”，完成一个寄存器的读取，最后应答，拉低ce。
ds1302_io状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
cmd_read in 读寄存器请求，发出请求时准备好地址
cmd_write in 写寄存器请求，发出请求时准备好地址和数据
cmd_read_ack out 读寄存器应答，应答时读取数据有效
cmd_write_ack out 写寄存器应答
read_addr in 读寄存器地址
write_addr in 写寄存器地址
read_data out 读出的数据
write_data in 写寄存器数据
ds1302_io端口
ds1302模块主要完成时间寄存器的读写控制，状态机状态较为简单。
ds1302模块状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
write_time_req in ds1302写时间请求，请求发出时，时间数据write_second、write_minute、write_hour、write_date、write_month、write_week、write_year要有效
write_time_ack out 写时间请求应答
write_second in 写时间：秒，bcd码，00-59
write_minute in 写时间：分，bcd码,，00-59
write_hour in 写时间：时，bcd码,，00-23
write_date in 写时间：日，bcd码,，01-31
write_month in 写时间：月，bcd码,，01-12
write_week in 写时间：周，bcd码,，01-07
write_year in 写时间：年，bcd码,，00-99
read_time_req in 读时间请求
read_time_ack out 读时间请求应答
read_second out 读时间：秒，bcd码，00-59
read_minute out 读时间：分，bcd码,，00-59
read_hour out 读时间：时，bcd码,，00-23
read_date out 读时间：日，bcd码,，01-31
read_month out 读时间：月，bcd码,，01-12
read_week out 读时间：周，bcd码,，01-07
read_year out 读时间：年，bcd码,，00-99
ds1302模块端口
ds1302_test模块主要ch状态检测，ch位于秒寄存器的bit7位，上电后首先读取时间，判断秒寄存器的ch状态，如果为高，表示ds1302暂停，状态机进入“s_write_ch”，将ch写0，并将一个初始时间写入，然后循环不断的读取时间寄存器。
ds1302_test状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
read_second out 时间：秒，bcd码，00-59
read_minute out 时间：分，bcd码，00-59
read_hour out 时间：时，bcd码，00-23
read_date out 时间：日，bcd码，01-31
read_month out 时间：月，bcd码，01-12
read_week out 时间：周，bcd码，01-07
read_year out 时间：年，bcd码，00-99
ds1302_test端口
4. 实验现象 将程序下载到开发板以后，连接uart转串口到pc机
开发板串口连接图
打开串口调试助手
端口选择按照设备管理器中“silicon labs cp210x usb to uart bridge”设置，波特率选择“115200”，其他值默认。
我们可以看到串口每秒会收到一条数据，显示一个时间。
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2.1 硬件介绍
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开发板rtc
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1）写数据时序
ds1302芯片写操作的时序图。第一个字节是“访问寄存器的地址”，第二字节是“写数据”。在写操作的时候，都是“上升沿有效”，然而还有一个条件，就是ce（/rst）信号必须拉高。（数据都是从lsb开始发送，亦即是最低位开始至最高位结束）。
ds1302写时序
2）读数据时序
基本上和写操作的时序图大同小异，区别的地方就是在第二个字节是“读数据”的动作。第二字节读数据开始时，sclk信号都是下降沿送出数据，这个时候可以使用上升沿读取数据。ce（/rst）信号同样是必须拉高。（第一节数据是从lsb开始输出，第二节数据是从lsb开始读入）。
3）命令格式和寄存器
无论是读操作还是写操作，在时序图中，第一个字节都是“访问寄存器的地址”，然而这一字节数据有自己的格式。
bit 7 固定。 bit 6 表示是访问寄存器本身，还是访问ram空间。 bit 5 到bit1 表示是寄存器或ram空间的地址。 bit 0 表示是访问寄存器本身是写操作，还是读操作。
下图是ds1302的寄存器地址和数据格式
3. 程序设计 通过分析ds1302读写时序，可以看出和spi时序类似，只不过数据输出和输入分时复用了，本实验利用spi master模块来做为ds1302的底层读写控制模块，然后再编写一个rtc读写模块。
ds1302_io模块完成ds1302寄存器读写控制，状态机如下图所示。
状态“s_idle”空闲状态，收到读写寄存器请求写进入“s_ce_high”状态，将ce拉高，然后根据请求类型，进入读（s_read）或写状态(s_write)。
“s_write”状态下一个状态进入写地址状态“s_write_addr”,再进入写数据状态“s_write_data”，完成一个寄存器的写入，最后应答，拉低ce。
“s_read”状态下一个状态进入读地址状态“s_read_addr”,再进入读数据状态“s_read_data”，完成一个寄存器的读取，最后应答，拉低ce。
ds1302_io状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
cmd_read in 读寄存器请求，发出请求时准备好地址
cmd_write in 写寄存器请求，发出请求时准备好地址和数据
cmd_read_ack out 读寄存器应答，应答时读取数据有效
cmd_write_ack out 写寄存器应答
read_addr in 读寄存器地址
write_addr in 写寄存器地址
read_data out 读出的数据
write_data in 写寄存器数据
ds1302_io端口
ds1302模块主要完成时间寄存器的读写控制，状态机状态较为简单。
ds1302模块状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
write_time_req in ds1302写时间请求，请求发出时，时间数据write_second、write_minute、write_hour、write_date、write_month、write_week、write_year要有效
write_time_ack out 写时间请求应答
write_second in 写时间：秒，bcd码，00-59
write_minute in 写时间：分，bcd码,，00-59
write_hour in 写时间：时，bcd码,，00-23
write_date in 写时间：日，bcd码,，01-31
write_month in 写时间：月，bcd码,，01-12
write_week in 写时间：周，bcd码,，01-07
write_year in 写时间：年，bcd码,，00-99
read_time_req in 读时间请求
read_time_ack out 读时间请求应答
read_second out 读时间：秒，bcd码，00-59
read_minute out 读时间：分，bcd码,，00-59
read_hour out 读时间：时，bcd码,，00-23
read_date out 读时间：日，bcd码,，01-31
read_month out 读时间：月，bcd码,，01-12
read_week out 读时间：周，bcd码,，01-07
read_year out 读时间：年，bcd码,，00-99
ds1302模块端口
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ds1302_test状态机
信号名称 方向 说明
clk in 时钟输入
rst in 异步复位输入，高复位
ds1302_ce out ds1302 ce，高有效
ds1302_sclk out ds1302串行时钟
ds1302_io inout ds1302数据
read_second out 时间：秒，bcd码，00-59
read_minute out 时间：分，bcd码，00-59
read_hour out 时间：时，bcd码，00-23
read_date out 时间：日，bcd码，01-31
read_month out 时间：月，bcd码，01-12
read_week out 时间：周，bcd码，01-07
read_year out 时间：年，bcd码，00-99
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