基于VHDL/CPLD的I2C串行總線控制器設(shè)計及實現(xiàn)

　　主機發(fā)完第一個字節(jié)后，數(shù)據(jù)傳輸方向的變化可能存在三種情況。(1)傳輸方向不變，如主機向從機寫；(2)傳輸方向改變，如主機從從機讀數(shù)據(jù)；(3)傳輸方向改變多次，如主機對從機進行多次讀寫。

　　2 時鐘同步與仲裁

　　I2C總線在任何時刻只能有一個主機，當I2C總線同時有兩個或更多的器件想成為主機時，就需要進行仲裁；時鐘同步的目的就是為仲裁提供一個確定的時鐘。時鐘SCL的同步和仲裁通過“線與”來執(zhí)行，SCL的低電平時間取決于低電平時間最長的主機，高電平時間取決于高電平時間最短的主機。

　仲裁過程在數(shù)據(jù)線SDA線上進行，當SCL為高電平時，如果SDA線上有主機發(fā)送低電平，則發(fā)送高電平的主機將關(guān)閉輸出級。因為總線的狀態(tài)和自身內(nèi)部不一樣，于是發(fā)送低電平的主機贏得仲裁。仲裁可以持續(xù)多個位，在實際通信過程中，仲裁的第一階段比較地址位，如果多個主機尋址同一個從機，則繼續(xù)比較數(shù)據(jù)位(主機是發(fā)送機)或響應位(主機是接收機)。由于I2C總線上的地址和數(shù)據(jù)由贏得總線的主機決定，因此仲裁過程中不會丟失信息。如果一個主機具有從機功能，則當它失去仲裁時，必須立即切換到從機狀態(tài)，因為它可能正在被其他主機尋址。

　　3 I2C總線控制器設(shè)計

　　I2C總線控制器的主要作用是提供微控制器(μC)和I2C總線之間的接口，為兩者之間的通信提供物理層協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在串行應用系統(tǒng)中，外圍器件(如串行E2PROM、LCD、實時鐘等)連接在I2C總線上，再通過I2C總線控制器和μC連起來。其典型的應用，如現(xiàn)在許多彩電的控制系統(tǒng)都基于I2C總線。為了使設(shè)計清晰明了，本文將控制器的設(shè)計分成兩部分。一部分為微控制器(μC)接口，另一部分為I2C接口，如圖2所示。

　　μC接口部分主要包含狀態(tài)寄存器(MBSR)、控制寄存器(MBCR)、地址寄存器(MADR)、數(shù)據(jù)寄存器(MBDR)和地址譯碼/總線接口模塊。狀態(tài)寄存器指示I2C總線控制器的當前狀態(tài)，如傳輸是否完成、總線是否忙等信息。控制寄存器是μC控制I2C總線控制器的主要途徑，通過置0/1完成I2C總線控制器使能、中斷使能、主/從(Master/Slave)模式選擇、產(chǎn)生起始位等操作。地址寄存器保存著I2C總線控制器作為從機時的地址。數(shù)據(jù)寄存器用于保存接收的數(shù)據(jù)或是待發(fā)送的數(shù)據(jù)。

I2C接口的核心是主狀態(tài)機，它控制著整個I2C接口的運作。和I2C總線直接相連的模塊有起始/停止位產(chǎn)生模塊、I2C Header寄存器、I2C數(shù)據(jù)寄存器和仲裁及起始/停止位檢測模塊。當控制器是Master時，起始/停止位產(chǎn)生模塊用于在I2C總線上產(chǎn)生起始位和停止位；I2C數(shù)據(jù)寄存器用于保存總線上傳送的數(shù)據(jù)；仲裁及起始/停止位檢測模塊的作用是執(zhí)行仲裁，并檢測I2C總線上的起始/停止位，以便為主狀態(tài)機提供輸入。其他模塊包括：I2C狀態(tài)寄存器，用于記錄I2C總線的狀態(tài)；地址比較模塊，用于比較總線上傳送的地址和本機的從機地址是否一致，如果一致，說明其他主機正在尋址本控制器，控制器必須立即切換到從機狀態(tài)，同時發(fā)出響應位。

　　3.1 μC接口設(shè)計

　　μC接口用于連接I2C接口電路和μC，主要實現(xiàn)兩者之間的信號交互握手機制。設(shè)計時可以用VHDL提供的狀態(tài)機來描述信號交互機制中的工作狀態(tài)切換，如圖3(a)所示。

　　μC接口電路中使用的四組寄存器的地址是24位的，高16位為I2C總線控制器的基址(MBASE)，占用μC的地址空間，低8位用于區(qū)別不同的寄存器。寄存器本身是8位的，圖3(b1)為控制寄存器，圖3(b2)為狀態(tài)寄存器。圖中示出了每一位的含義。

　　3.2 I2C接口設(shè)計

　　I2C接口用于連接μC接口電路和I2C總線，由兩個狀態(tài)機構(gòu)成：一個是I2C接口主狀態(tài)機，用于執(zhí)行發(fā)送和接收操作；另一個為“SCL/SDA/ STOP 產(chǎn)生”狀態(tài)機，當I2C總線控制器為主機時，這個狀態(tài)機產(chǎn)生SCL/START/STOP信號。