1 引言

I2C總線是PHILIPS公司推出的新一代串行總線，由于其結(jié)構(gòu)簡單、靈活，各結(jié)點具有獨立的電氣特性，可實現(xiàn)電路的模塊化、標準化而被廣泛應(yīng)用。目前許多MCU都帶有I2C總線接口，對沒有I2C總線的MCU，可采用軟件模擬，有通用軟件包可以使用，但功能比較簡單。在MCU（以Motorola 68000系列為例）和CPLD電子系統(tǒng)設(shè)計中，利用CPLD器件資源，按照I2C總線協(xié)議標準模式，設(shè)計了功能完善的I2C總線控制器，給出了設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。

2 I2C總線控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

2．1 I2C總線控制器的原理圖

I2C總線控制器的設(shè)計采用VHDL語言描述，經(jīng)編譯、綜合、適配，下載到具體的CPLD目標器件中，即可實現(xiàn)I2C總線控制器功能。其原理圖如圖一所示，該設(shè)計包括MCU接口和I2C總線接口兩大部分。

2．2微處理器（MCU）接口邏輯的設(shè)計

MCU接口邏輯包括：地址譯碼/總線接口、狀態(tài)寄存器（MBSR）、控制寄存器（MBCR）、地址寄存器（MADR）和數(shù)據(jù)寄存器（MBDR）等組成。I2C總線控制器的微處理器接口支持異步字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，該協(xié)議的執(zhí)行是通過MCU對I2C總線控制器中有關(guān)寄存器讀寫完成的，MCU讀寫協(xié)議如圖二所示。

2．2．1地址譯碼/總線接口的設(shè)計

在I2C總線控制器中對MCU數(shù)據(jù)讀/寫協(xié)議的執(zhí)行由MCU總線接口狀態(tài)機完成，整個狀態(tài)機包含空閑狀態(tài)、地址譯碼狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和應(yīng)答狀態(tài)。當(dāng)MCU設(shè)置讀/寫操作、輸出要訪問的I2C控制器中寄存器地址信號，并使地址選通信號有效時，狀態(tài)機從空閑狀態(tài)進入地址譯碼狀態(tài)。若I2C控制器中寄存器被尋址且數(shù)據(jù)選通信號有效，狀態(tài)機從地址譯碼狀態(tài)進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：如果是讀周期，I2C控制器將被訪問的寄存器中數(shù)據(jù)放置在MCU接口總線上；如果是寫周期，I2C控制器將從MCU接口總線取數(shù)據(jù)鎖存到I2C控制器的內(nèi)部被訪問的寄存器中，狀態(tài)機自動進入應(yīng)答狀態(tài)，此時，DTACK信號有效表明，如果是讀周期，MCU即可從MCU接口總線讀取數(shù)據(jù)；如果是寫周期，數(shù)據(jù)已鎖存到I2C的內(nèi)部寄存器中。

2．2．2 MCU接口特殊功能寄存器的功能

MCU接口地址線共24根，其中高16位為基址（MBASE），用于確定I2C控制器的地址，低8位為MCU接口中特殊功能寄存器的地址。

1）地址寄存器（MADR）：寄存器地址為MBASE+$8Dh，存放I2C控制器工作在從機模式時的從機地址。從機地址占高7位，最低位未用。

2） 控制寄存器（MBCR）：寄存器地址為MBASE+$91h，產(chǎn)生控制信號，各位功能如下：

MEN：I2C控制器使能。該位為1時，控制寄存器的其他各位才有效；MIEN：中斷使能；

MSTA：主/從模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)MCU使該位從0變?yōu)?，I2C進入主機模式，并產(chǎn)生起始條件；若清0，產(chǎn)生停止條件，并轉(zhuǎn)換為從機模式；

MTX：主機發(fā)送/接收模式選擇。置1，主機發(fā)送，清0，主機接收；

TXAK：傳輸應(yīng)答使能。置1，無應(yīng)答；清0，有應(yīng)答；

RSTA：重復(fù)起始條件。I2C控制器在主機模式，寫入1，產(chǎn)生重復(fù)起始條件；若總線被其他主機占用，寫入1時，讀回0。

3）狀態(tài)寄存器（MBSR）：寄存器地址為MBASE+$93h，各位設(shè)置與功能如下：

MCF：數(shù)據(jù)傳送標志位，當(dāng)一字節(jié)數(shù)據(jù)正在傳輸時，為0，一字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，置1；

MASS：從機地址尋址標志位。當(dāng)I2C控制器中地址寄存器的值與I2C總線傳輸?shù)牡刂菲ヅ鋾r，置1，否則為0；

MBB：I2C數(shù)據(jù)總線忙標志位；

MAL：仲裁丟失標志位。當(dāng)I2C控制器仲裁丟失時，由硬件置1，MCU的軟件清0；

SRW：從機讀/寫標志位。I2C工作于從機模式，主機從I2C控制器讀，置1；寫，清0；

MIF：中斷請求標志位。當(dāng)MIEN置1，且有中斷請求時，該位置1，在MCU的中斷服務(wù)程序中，由軟件清0；

RXAK：接收應(yīng)答信號標志位。有應(yīng)答信號接收，置1；無應(yīng)答信號接收，清0。

4） 數(shù)據(jù)寄存器（MBDR）：寄存器地址為MBASE+$95h，在物理上，數(shù)據(jù)寄存器映射成兩個獨立的寄存器，一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個用于接收數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU訪問它們時，兩個寄存器共用一個地址。

2．3 I2C接口邏輯的設(shè)計

I2C接口主要包括：主狀態(tài)機、起始條件/停止條件/SCL時鐘信號的生成、仲裁/起始條件/停止條件的檢測、I2C狀態(tài)寄存器、I2C數(shù)據(jù)寄存器、地址比較、和I2C標題寄存器模塊等組成。

2．3．1仲裁、起始條件/停止條件的檢測

I2C控制器在下列情況將發(fā)生仲裁丟失：1） I2C控制器在主機模式，在地址或數(shù)據(jù)發(fā)送周期，當(dāng)主機發(fā)送“1”，但在數(shù)據(jù)線上的采樣值“0”；2） I2C控制器在主機接收模式，在數(shù)據(jù)接收周期的應(yīng)答位，當(dāng)主機發(fā)送“1”，但在數(shù)據(jù)線的上采樣值“0”；3）當(dāng)總線忙時，MCU企圖產(chǎn)生起始條件；4） I2C控制器在從機模式，MCU企圖產(chǎn)生重復(fù)起始條件；5） I2C控制器在主機模式，沒有產(chǎn)生停止請求，但檢測到停止條件。當(dāng)I2C控制器檢測到起始條件時，數(shù)據(jù)總線忙標志位置1，檢測到停止條件時，數(shù)據(jù)總線忙標志位清0。

2．3．2 SCL、SDA、起始、停止條件的產(chǎn)生

該模塊完成如下功能： 1）允許任何主機控制總線，一旦I2C總線控制器控制總線，將產(chǎn)生起始條件；2）產(chǎn)生SCL串行時鐘信號，且對SCL進行逐位仲裁，滿足時鐘同步協(xié)議；3）I2C總線控制器在發(fā)送模式時從數(shù)據(jù)寄存器（MBDR）發(fā)送數(shù)據(jù)到SDA數(shù)據(jù)線上；4）若I2C總線控制器檢測到仲裁丟失，將繼續(xù)產(chǎn)生SCL信號直到丟失仲裁的該字節(jié)末尾；5）當(dāng)有重復(fù)起始條件和停止條件請求時，產(chǎn)生重復(fù)起始條件和停止條件。

2．3．3 I2C接口主狀態(tài)機

I2C接口主狀態(tài)機如圖三所示，無論I2C控制器工作于主機還是從機模式，這個狀態(tài)機都適用。當(dāng)仲裁丟失或作為從機被尋址時，I2C控制器立即從主機模式轉(zhuǎn)換為從機模式。

在HEADER狀態(tài)，I2C工作在主機模式時，一方面從數(shù)據(jù)寄存器（MBDR）發(fā)送標題到I2C總線上，另一方面將I2C數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)逐位接收到標題移位寄存器內(nèi)，當(dāng)8位數(shù)據(jù)全部移入時，進入ACK_HEADER狀態(tài)。在ACK_HEADER狀態(tài)，I2C控制器于主機模式，采樣SDA的值， 從而決定是否有從機應(yīng)答，如果從機不應(yīng)答，進入STOP狀態(tài)，等待生成停止條件；如果從機有應(yīng)答，標題移位寄存器中最低位決定I2C控制器是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換到RCV_DATA或XMIT_DATA狀態(tài)。同時，不斷地將地址寄存器（MADR）的值與標題移位寄存器的值進行比較，若地址匹配，I2C控制器作為從機被尋址并立即轉(zhuǎn)換為從機模式。狀態(tài)寄存器（MBSR）中的從機尋址標志位MAAS置位，將TXAK位發(fā)送到SDA線上應(yīng)答當(dāng)前的主機，同樣標題移位寄存器中最低位決定數(shù)據(jù)傳送方向和下一狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文根據(jù)I2C總線規(guī)范的標準模式，在MCU和CPLD綜合應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計了I2C總線控制器。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中嵌入該IP核，可以節(jié)約成本，提高系統(tǒng)的適用范圍和可靠性，具有很高的參考設(shè)計價值和工程實用價值。

責(zé)任編輯：gt