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(jiǎn)單、靈活，各結(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的電氣特性，可實(shí)現(xiàn)電路的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化而被廣泛應(yīng)用。目前許多MCU都帶有I2C總線接口，對(duì)沒(méi)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(jiǎn)單。在MCU（以Motorola 68000系列為例）和CPLD電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用CPLD器件資源，按照I2C總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)模式，設(shè)計(jì)了功能完善的I2C總線控制器，給出了設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。

2 I2C總線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 I2C總線控制器的原理圖

I2C總線控制器的設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言描述，經(jīng)編譯、綜合、適配，下載到具體的CPLD目標(biāo)器件中，即可實(shí)現(xiàn)I2C總線控制器功能。其原理圖如圖一所示，該設(shè)計(jì)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(jì)

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(guò)MCU對(duì)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(jì)

在I2C總線控制器中對(duì)MCU數(shù)據(jù)讀/寫協(xié)議的執(zhí)行由MCU總線接口狀態(tài)機(jī)完成，整個(gè)狀態(tài)機(jī)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(wèn)的I2C控制器中寄存器地址信號(hào)，并使地址選通信號(hào)有效時(shí)，狀態(tài)機(jī)從空閑狀態(tài)進(jìn)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(hào)有效，狀態(tài)機(jī)從地址譯碼狀態(tài)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)：如果是讀周期，I2C控制器將被訪問(wèn)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(wèn)的寄存器中，狀態(tài)機(jī)自動(dòng)進(jìn)入應(yīng)答狀態(tài)，此時(shí)，DTACK信號(hào)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(jī)模式時(shí)的從機(jī)地址。從機(jī)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(hào)，各位功能如下：

MEN：I2C控制器使能。該位為1時(shí)，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(jìn)入主機(jī)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(jī)模式；

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

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

RSTA：重復(fù)起始條件。I2C控制器在主機(jī)模式，寫入1，產(chǎn)生重復(fù)起始條件；若總線被其他主機(jī)占用，寫入1時(shí)，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(biāo)志位，當(dāng)一字節(jié)數(shù)據(jù)正在傳輸時(shí)，為0，一字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，置1；

MASS：從機(jī)地址尋址標(biāo)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(shí)，置1，否則為0；

MBB：I2C數(shù)據(jù)總線忙標(biāo)志位；

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

SRW：從機(jī)讀/寫標(biāo)志位。I2C工作于從機(jī)模式，主機(jī)從I2C控制器讀，置1；寫，清0；

MIF：中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。當(dāng)MIEN置1，且有中斷請(qǐng)求時(shí)，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(hào)標(biāo)志位。有應(yīng)答信號(hào)接收，置1；無(wú)應(yīng)答信號(hào)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(gè)獨(dú)立的寄存器，一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，當(dāng)MCU訪問(wèn)它們時(shí)，兩個(gè)寄存器共用一個(gè)地址。

2．3 I2C接口邏輯的設(shè)計(jì)

I2C接口主要包括：主狀態(tài)機(jī)、起始條件/停止條件/SCL時(shí)鐘信號(hào)的生成、仲裁/起始條件/停止條件的檢測(cè)、I2C狀態(tài)寄存器、I2C數(shù)據(jù)寄存器、地址比較、和I2C標(biāo)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(cè)

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(jī)模式，在地址或數(shù)據(jù)發(fā)送周期，當(dāng)主機(jī)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(jī)接收模式，在數(shù)據(jù)接收周期的應(yīng)答位，當(dāng)主機(jī)發(fā)送“1”，但在數(shù)據(jù)線的上采樣值“0”；3）當(dāng)總線忙時(shí)，MCU企圖產(chǎn)生起始條件；4） I2C控制器在從機(jī)模式，MCU企圖產(chǎn)生重復(fù)起始條件；5） I2C控制器在主機(jī)模式，沒(méi)有產(chǎn)生停止請(qǐng)求，但檢測(cè)到停止條件。當(dāng)I2C控制器檢測(cè)到起始條件時(shí)，數(shù)據(jù)總線忙標(biāo)志位置1，檢測(cè)到停止條件時(shí)，數(shù)據(jù)總線忙標(biāo)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(jī)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(shí)鐘信號(hào)，且對(duì)SCL進(jìn)行逐位仲裁，滿足時(shí)鐘同步協(xié)議；3）I2C總線控制器在發(fā)送模式時(shí)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(cè)到仲裁丟失，將繼續(xù)產(chǎn)生SCL信號(hào)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(qǐng)求時(shí)，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(jī)

I2C接口主狀態(tài)機(jī)如圖三所示，無(wú)論I2C控制器工作于主機(jī)還是從機(jī)模式，這個(gè)狀態(tài)機(jī)都適用。當(dāng)仲裁丟失或作為從機(jī)被尋址時(shí)，I2C控制器立即從主機(jī)模式轉(zhuǎn)換為從機(jī)模式。

在HEADER狀態(tài)，I2C工作在主機(jī)模式時(shí)，一方面從數(shù)據(jù)寄存器（MBDR）發(fā)送標(biāo)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(biāo)題移位寄存器內(nèi)，當(dāng)8位數(shù)據(jù)全部移入時(shí)，進(jìn)入ACK_HEADER狀態(tài)。在ACK_HEADER狀態(tài)，I2C控制器于主機(jī)模式，采樣SDA的值， 從而決定是否有從機(jī)應(yīng)答，如果從機(jī)不應(yīng)答，進(jìn)入STOP狀態(tài)，等待生成停止條件；如果從機(jī)有應(yīng)答，標(biāo)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(shí)，不斷地將地址寄存器（MADR）的值與標(biāo)題移位寄存器的值進(jìn)行比較，若地址匹配，I2C控制器作為從機(jī)被尋址并立即轉(zhuǎn)換為從機(jī)模式。狀態(tài)寄存器（MBSR）中的從機(jī)尋址標(biāo)志位MAAS置位，將TXAK位發(fā)送到SDA線上應(yīng)答當(dāng)前的主機(jī)，同樣標(biāo)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(yǔ)

本文根據(jù)I2C總線規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)模式，在MCU和CPLD綜合應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了I2C總線控制器。在實(shí)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(jì)價(jià)值和工程實(shí)用價(jià)值。

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