第三十四章 RTC实时时钟LCD显示实验
本章在讲什么
上一章我们造好了一个通用 I2C 驱动模块，本章立刻兑现它的复用价值：换一颗芯片——RTC 实时时钟 PCF8563（板上焊接的是兼容的国产 AT8563），把芯片里的实时时间读出来，显示在 RGB LCD 屏幕上。
PCF8563 是一款低功耗时钟/日历芯片，内部自带 32.768KHz 晶振计时，即使系统断电（有后备电池时）也能持续走时。它有 16 个 8 位寄存器：00H/01H 是控制/状态寄存器，02H~08H 是秒、分、时、日、月、年计时寄存器——本章只需要打交道的就是这 7 个。
实验任务：FPGA 先给 PCF8563 写入初始时间，然后不断读取当前时间，在 LCD 屏上分两行显示"年月日"和"时分秒"，秒在不停跳动。
本章最大的学习点是看懂同一套 I2C 驱动如何通过改参数适配新芯片，以及 BCD 码数据如何直接映射到字符显示。
核心概念拆解
34.1 PCF8563 的三个关键特性
① 器件地址 7'h51：注意和 EEPROM（7'h50）不同！两者挂在同一条 I2C 总线上，全靠地址区分。顶层模块中：
parameter SLAVE_ADDR = 7'b101_0001; // PCF8563 器件地址（EEPROM 是 101_0000）
parameter BIT_CTRL = 1'b0; // 字地址 8 位（EEPROM 是 16 位）
② BCD 码存储：时间寄存器中的数值用 8421 BCD 码存储——4 个二进制位表示 1 位十进制数。比如 23 秒存的是 8'b0010_0011（0x23），而不是二进制的 0x17。这个特性带来巨大便利：读出的高 4 位就是十位、低 4 位就是个位，可以直接当字符数组下索引字模，不需要做二进制-十进制转换。
③ 上电要等 8ms：芯片手册规定，上电到第一个起始信号之间需等待 8ms 消除不稳定状态。代码里用 WAIT_TIME = 13'd8_000（dri_clk 为 1MHz，8000 个周期 = 8ms）实现。
另外注意秒寄存器的最高位 VL 是"数据有效性标志"（VL=1 表示时钟数据不保证准确），所以代码读秒时用 i2c_data_r[6:0] 而不是整个字节；月寄存器的最高位是世纪位 C，读月时取 i2c_data_r[4:0]。
34.2 系统架构：I2C 驱动零改动复用
top_rtc_lcd
├── pcf8563_ctrl （新增：初始化 + 循环读时间，输出 sec/min/hour/day/mon/year）
├── i2c_dri （原封不动复用上一章的驱动！）
└── lcd_rgb_char （由字符显示实验改造：lcd_display 模块重写显示内容）
对比上一章，i2c_dri 一行代码都没改——只是顶层参数从 SLAVE_ADDR=7'h50, BIT_CTRL=1 变成了 SLAVE_ADDR=7'h51, BIT_CTRL=0。这正是上一章把器件地址、字地址位数做成参数的回报。
34.3 pcf8563_ctrl：一条"写6个寄存器→循环读6个寄存器"的状态流
业务流程：上电等 8ms → 依次写秒(02h)、分(03h)、时(04h)、天(05h)、月(07h)、年(08h)寄存器 → 拉高 i2c_rh_wl 切读模式 → 从 flow_cnt=1 重新开始循环读。用 flow_cnt[3:0] 编排，每两个状态处理一个寄存器（一个触发、一个等完成）：
4'd1: begin // 触发写/读秒寄存器
i2c_exec <= 1'b1;
i2c_addr <= 16'h02;
flow_cnt <= flow_cnt + 4'b1;
i2c_data_w <= TIME_INIT[7:0]; // 初始时间的秒字段
end
4'd2: begin // 等本次操作完成
if(i2c_done == 1'b1) begin
sec <= i2c_data_r[6:0]; // 写阶段存初始值，读阶段存实时值
flow_cnt<= flow_cnt + 4'b1;
end
end
初始时间通过参数传入：TIME_INIT = 48'h24_01_01_09_30_00，从高到低依次是年、月、日、时、分、秒（即 2024 年 01 月 01 日 09:30:00）。年只写 0~99 两位，显示时千位百位固定为"20"。
巧妙之处在于同一组状态既用于写也用于读：写阶段 i2c_data_w 从 TIME_INIT 取值，读阶段同一个 sec <= i2c_data_r[6:0] 语句自动接收实时数据；年寄存器读完时 i2c_rh_wl <= 1'b1 并把 flow_cnt 拉回 1，实现无限循环读——因为时钟在走，必须持续刷新。
初始化只执行一次：PCF8563 会从初始时间开始自行累计计时，之后每次读到的都是最新时间。
34.4 LCD 显示：BCD 直接索引字模数组
显示方案：每个字符 8×16 像素，第一行从 (1,1) 起显示"20XX XX XX"（年月日），第二行从 (17,17) 起显示"XX XX XX"（时分秒），黑字白底。
数字 0~9 的字模由取模软件生成，存成 10 个 128 位的数组（16 行 × 8 列，一行占 8 位）：
reg [127:0] char [9:0];
char[2] <= 128'h0000003C4242420404081020427E0000; // "2"的字模
每个像素位置判断的核心公式（以第一行第一个字符"2"为例）：
else if((pixel_xpos >= CHAR_POS_X_1 - 11'd1)
&& (pixel_xpos < CHAR_POS_X_1 + CHAR_WIDTH_1/10*1 - 11'd1)
&& (pixel_ypos >= CHAR_POS_Y_1)
&& (pixel_ypos < CHAR_POS_Y_1 + CHAR_HEIGHT)) begin
if(char[2][(CHAR_HEIGHT+CHAR_POS_Y_1 - pixel_ypos)*8
- ((pixel_xpos - (CHAR_POS_X_1-11'd1)) % 8) - 11'd1])
pixel_data <= BLACK; // 字模位为1 → 黑色
else
pixel_data <= WHITE; // 为0 → 白色背景
end
理解这段代码的关键是把 128 位字模看成 16×8 的二维点阵：
(CHAR_HEIGHT + CHAR_POS_Y_1 - pixel_ypos) * 8：算出当前是第几行（每换一行跨 8 位）；(pixel_xpos - 起点) % 8：算出当前是这一行的第几列；- 最终索引到 128 位中的某一位，为 1 涂黑、为 0 涂白。
显示年月日/时分秒数值时，只需把字面量 char[2] 换成变量索引：年的十位用 char[year[7:4]]、个位用 char[year[3:0]]——BCD 码的高 4 位/低 4 位恰好就是十位/个位的数值，直接当下标取字模，一行转换代码都不用写。这就是 34.1 说的 BCD 红利。
图片对照
图：PCF8563 原理图——与 EEPROM 挂在同一条 I2C 总线，OSCI/OSCO 接 32.768KHz 晶振
图：系统架构——I2C 驱动模块原样复用，只新增 pcf8563_ctrl 控制模块
图：LCD 显示效果——第一行年月日、第二行时分秒
图：上板现象——屏幕时间持续走动
初学者容易踩的坑
- 器件地址没换：直接复制 EEPROM 工程却忘了把
SLAVE_ADDR从7'h50改成7'h51，PCF8563 永远不应答。同样BIT_CTRL要从 1 改成 0（PCF8563 寄存器地址是单字节 02H~08H）。 - 忘了 8ms 上电等待：跳过
WAIT_TIME直接配置寄存器，芯片还没准备好，初始化可能失败或数据错乱。 - 把 BCD 当二进制处理：如果对读出的秒做二进制运算（如
sec + 1），得到的结果显示出来会乱跳。记住寄存器里 0x59 表示 59 秒；想显示就直接拆 nibble 索引字模，想做算术才需要 BCD→二进制转换。 - 寄存器保留位没屏蔽：秒寄存器 bit7 是 VL 标志、月寄存器 bit7 是世纪位、bit6~5 保留，直接用整个字节索引字模会越界（索引到 10 以上的字模数组）。必须按位截取：
[6:0]、[4:0]等。 - 时间不刷新或一直重新初始化：读循环必须回到"读秒"状态无限往复；如果不小心让 flow_cnt 每圈都走写路径，屏幕时间会永远停在初始值。区分点就是
i2c_rh_wl只在年寄存器读完那一次被拉高。 - 字模数组索引公式抄错：
(x % 8)、行偏移乘 8、起点坐标减 1，三处细节错一处，字符就会显示成乱码或镜像。建议先用固定字符"2"验证公式，再替换成变量索引。
小结 & 下一步
本章的核心收获不是新协议，而是复用与适配的方法论：
- 驱动复用：上一章参数化的 i2c_dri 零改动跑在新芯片上——好的分层设计会让"换器件"变成"换参数"；
- 器件适配三要素：换一颗 I2C 芯片只需要改三件事——器件地址、字地址位数、寄存器布局（地址+含义+保留位）；
- BCD 码的显示红利：拆 nibble 直接索引字模，省去进制转换；
- 持续轮询模型：对"数据自己在变"的器件（时钟），业务层是无限循环读，而不是 EEPROM 那种"一次测试就结束"。
下一步：第三十五章将进入测量仪器领域——等精度频率计。将学习如何用 FPGA 精确测量信号频率，涉及闸门时间、等精度测量法如何消除 ±1 误差等经典测频技术。