I2C（Inter Integrated Circuit）雙向二線制串行總線，是由飛利浦公司制定的。I2C總線是一個多主機的總線，使用串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）在總線上傳遞信息。每個器件都有一個唯一的識別地址，而且都可以作為一個發送器或接收器。當連接在I2C總線上的多個主機器件同時傳輸數據時，通過仲裁來避免沖突。SDA和SCL都是雙向線路，通過一個電流源或上拉電阻連接到電源。器件輸出級必須是漏極開路或集電極開路，當總線空閑時，兩條線路處于高電平，執行線與的功能。

Actel公司免費提供I2C IP核——Core I2C。Core I2C是基于APB總線形式的，它的優點是可以連接到Core 8051或者是Cortex M1處理器上，方便用戶進行SoC設計，本文將主要介紹Core I2C的原理與應用。

1. Core I2C介紹

（1）I2C協議簡介

I2C總線協議定義如下：只有在總線處于“非忙”狀態時，才能開始數據傳輸。在數據傳輸期間，只要時鐘線為高電平，數據線都必須保持穩定，否則數據線上的任何變化都被當作“啟動”或“停止”信號。圖1所示為總線狀態的定義。

I2C總線的工作方式為：當SCL為高電平時，如果檢測到SDA的下降沿，則啟動數據的傳輸;在數據傳輸時，只要SCL為高電平時，SDA數據必須保持穩定，SDA數據可以在SCL的低電平時發生變化;當SCL為高電平時，如果檢測到SDA的上升沿，則停止數據的傳輸。

（2）Core I2C內部結構

Core I2C的內部結構框圖如圖2所示。它主要由串行時鐘發生器、地址寄存器、控制寄存器、狀態寄存器和APB總線接口等組成的。

● 串行時鐘發生器模塊：提供SCL時鐘脈沖。

● 地址寄存器模塊：包含了內核編程的地址信息。

● 控制寄存器模塊：控制串行傳輸的啟動、重啟、終止、位速率、地址識別和應答等功能。

● 狀態寄存器模塊：包含了Core I2C內部寄存器工作的狀態信息。

● APB總線接口：提供了I2C和APB總線通信的接口。

（3）Core I2C內部寄存器

Core I2C的寄存器的地址映射如表 1所示。

● 控制寄存器——I2C_CTRL

Bit7：串行時鐘位2，和第0位、第1位一起決定分頻系數。

Bit6：I2C使能位，1表示I2C被使能，否則被禁止。

Bit5：起始標志位，1表示起始標志位有效，總線在空閑時將會產生一個起始狀態位。

Bit4：停止標志位，1表示停止標志位有效，總線將會產生一個停止狀態位。

Bit3：串行中斷標志位，在狀態寄存器的值被更新以后，這位必須被清零。

Bit2：主/從機設置位，1表示工作在從機模式，0表示工作在主機模式。

Bit1：串行時鐘位1，和第7位、第0位一起決定分頻系數。

Bit0：串行時鐘位0，和第7位、第一位一起決定分頻系數。

Core I2C時鐘頻率的定義如表 2所示。

● 狀態寄存器——I2C_STA

狀態寄存器取出所有內部狀態位并將它們壓縮成一個5位的代碼，該代碼與每個I2C總線狀態位一一對應，5位代碼可用于產生向量地址，以便快速處理不同的服務程序，每個服務程序處理一個特定的總線狀態。如果I2C模塊的所有模式都被使用，則有26種可能的總線狀態。

● 數據寄存器——I2C_DAT

數據寄存器包含要發送或剛接收的數據，當它沒有處理字節的移位時，APB控制器可以對其進行讀寫。

● 地址寄存器——I2C_ADDR

Bit7～Bit1：自身從機地址。

Bit0：通用調用位，該位設置為1，通用調用地址有效，否則無效。

（4）Core I2C的基本操作

Core I2C可以配置成主機或從機，總線時鐘速率可調整，最高可支持400kb/s的總線傳輸速率。使用I2C總線時，在總線上要連接兩個上拉電阻，阻值為1~10k歐姆。

● 主機發送模式

主機發送模式的數據發送格式如圖 3所示。先發送起始條件，然后發送從機地址和寫方向位，這時從機會產生一個應答，主機在接收到應答位后，依次發送n個數據，每個數據發送后，從機都會產生一個應答位，發送完n個數據后，主機發送停止位。

● 主機接收模式

主機接收模式的數據接收格式如圖4所示。主機先發送起始條件，然后發送從機地址和讀方向位，這時從機會產生一個應答，主機在接收到應答位后，依次讀出n個數據，主機在接收到每個數據后，都會產生一個應答位，接收完數據后，主機發送停止位。

（5）應用場合

I2C協議主要應用于對串行設備的控制，如各種串行的存儲器等。圖5所示為使用I2C接口控制EEPROM。

2.小結

本文主要介紹了Actel FPGA的Core I2C IP核，除了Core I2C，Actel公司還提供了UART、SPI、PWM、Timer等IP核，請關注周立功公司的網站獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務，解決用戶在產品使用和研發過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯系，我們將會竭誠為您服務，并能關注下期的FPGA專題技術講座。