利用CPLD器件和微處理器實現I2C總線控制器的應用方案

1 引言

I2C總線是PHILIPS公司推出的新一代串行總線，由于其結構簡單、靈活，各結點具有獨立的電氣特性，可實現電路的模塊化、標準化而被廣泛應用。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 電子系統設計中，利用CPLD器件資源，按照I2C總線協議標準模式，設計了功能完善的I2C總線控制器，給出了設計思路和實現方法。

2 I2C總線控制器的設計與實現

2．1 I2C總線控制器的原理圖

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

2．2微處理器（MCU）接口邏輯的設計

MCU接口邏輯包括：地址譯碼/總線接口、狀態寄存器（MBSR）、控制寄存器（MBCR）、地址寄存器（MADR）和數據寄存器（MBDR）等組成。I2C總線控制器的微處理器接口支持異步字節數據傳輸協議，該協議的執行是通過MCU對I2C總線控制器中有關寄存器讀寫完成的，MCU讀寫協議如圖二所示。

2．2．1地址譯碼/總線接口的設計

在I2C總線控制器中對MCU數據讀/寫協議的執行由MCU總線接口狀態機完成，整個狀態機包含空閑狀態、地址譯碼狀態、數據傳輸狀態和應答狀態。當MCU設置讀/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，狀態機從空閑狀態進入地址譯碼狀態。若I2C控制器中寄存器被尋址且數據選通信號有效，狀態機從地址譯碼狀態進入數據傳輸狀態：如果是讀周期，I2C控制器將被訪問的寄存器中數據放置在MCU接口總線上；如果是寫周期，I2C控制器將從MCU接口總線取數據鎖存到I2C控制器的內部被訪問的寄存器中，狀態機自動進入應答狀態，此時，DTACK信號有效表明，如果是讀周期，MCU即可從MCU接口總線讀取數據；如果是寫周期，數據已鎖存到I2C的內部寄存器中。

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/從模式轉換。當MCU使該位從0變為1，I2C進入主機模式，并產生起始條件；若清0，產生停止條件，并轉換為從機模式；

MTX：主機發送/接收模式選擇。置1，主機發送，清0，主機接收；

TXAK：傳輸應答使能。置1，無應答；清0，有應答；

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

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

MCF：數據傳送標志位，當一字節數據正在傳輸時，為0，一字節數據傳輸結束，置1；

MASS：從機地址尋址標志位。當I2C控制器中地址寄存器的值與I2C總線傳輸的地址匹配時，置1，否則為0；

MBB：I2C數據總線忙標志位；

MAL：仲裁丟失標志位。當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MIEN置1，且有中斷請求時，該位置1，在MCU的中斷服務程序中，由軟件清0；

RXAK：接收應答信號標志位。有應答信號接收，置1；無應答信號接收，清0。

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

2．3 I2C接口邏輯的設計

I2C接口主要包括：主狀態機、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狀態寄存器、I2C數據寄存器、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生仲裁丟失：1） I2C控制器在主機模式，在地址或數據發送周期，當主機發送“1”，但在數據線上的采樣值“0”；2） I2C控制器在主機接收模式，在數據接收周期的應答位，當主機發送“1”，但在數據線的上采樣值“0”；3）當總線忙時，MCU企圖產生起始條件；4） I2C控制器在從機模式，MCU企圖產生重復起始條件；5） I2C控制器在主機模式，沒有產生停止請求，但檢測到停止條件。當I2C控制器檢測到起始條件時，數據總線忙標志位置1，檢測到停止條件時，數據總線忙標志位清0。

2．3．2 SCL、SDA、起始、停止條件的產生

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，將產生起始條件；2）產生SCL串行時鐘信號，且對SCL進行逐位仲裁，滿足時鐘同步協議；3）I2C總線控制器在發送模式時從數據寄存器（MBDR）發送數據到SDA數據線上；4）若I2C總線控制器檢測到仲裁丟失，將繼續產生SCL信號直到丟失仲裁的該字節末尾；5）當有重復起始條件和停止條件請求時，產生重復起始條件和停止條件。

2．3．3 I2C接口主狀態機

I2C接口主狀態機如圖三所示，無論I2C控制器工作于主機還是從機模式，這個狀態機都適用。當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換為從機模式。

在HEADER狀態，I2C工作在主機模式時，一方面從數據寄存器（MBDR）發送標題到I2C總線上，另一方面將I2C數據線上的數據逐位接收到標題移位寄存器內，當8位數據全部移入時，進入ACK_HEADER狀態。在ACK_HEADER狀態，I2C控制器于主機模式，采樣SDA的值，從而決定是否有從機應答，如果從機不應答，進入STOP狀態，等待生成停止條件；如果從機有應答，標題移位寄存器中最低位決定I2C控制器是接收還是發送數據，狀態轉換到RCV_DATA或XMIT_DATA狀態。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換為從機模式。狀態寄存器（MBSR）中的從機尋址標志位MAAS置位，將TXAK位發送到SDA線上應答當前的主機，同樣標題移位寄存器中最低位決定數據傳送方向和下一狀態。