基于VHDL/CPLD的I2C串行总线控制器设计及实现

串行总线和并行总线相比具有结构简单、占用引脚少、成本低的优点。常见的串行总线有USB、IEEE1394、I2C等，其中I2C总线具有使用简单的特点，在单片机、串行E2PROM、LCD等器件中具有广泛的应用。

I2C(Inter IC BUS)是Philips公司开发的用于芯片之间连接的总线。 I2C总线用两根信号线进行数据传输，一根为串行数据线(SDA)，另一根为串行时钟线(SCL)。I2C总线允许若干兼容器件(如存储器、A/D转换器、D/A转换器、LCD驱动器等)共享总线。I2C总线理论上可以允许的最大设备数，是以总线上所有器件的总电容(其中包括连线本身的电容和连接端的引出电容)不超过400pF为限，总线上所有器件依靠SDA线发送的地址信号寻址，不需要片选线。任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线空闲时启动数据传输。I2C总线数据传输的标准模式速率为100kbps，快速模式速率为400kbps，高速模式速率为3.4Mbps。

用VHDL和CPLD设计数字系统具有传统方法无可比拟的优越性，它已经成为大规模集成电路设计最为有效的一种手段。为简单起见，本文采用VHDL设计标准模式的I2C总线控制电路。

1 I2C总线上的数据传输

I2C总线包含时钟线SCL和数据线SDA两条连线，SCL由主机产生。I2C总线的数据传输流程如图1所示。其传输过程为：首先主机产生起始位，然后传送第一个字节。8位数据中首先传送的是数据的最高位MSB，最低位LSB为读写指示位，1表示主机读，0表示主机写，高7位地址可使主机寻址128个从器件。

从机收到第一字节数据后发响应位，主机收到响应位后接着发送第二个字节的数据。数据发送完毕后产生结束位，数据传送结束。数据传送时，只有时钟SCL为低电平时SDA才允许切换，SCL为高电平时SDA必须稳定，此时SDA的电平就是总线转送的数值。

在SCL为高电平时，SDA线由高到低切换表示起始位，SDA线由低到高切换表示停止位。起始位和停止位由主机产生，在起始位产生后总线处于忙状态，停止位出现并经过一定时间后总线进入空闲状态。发送器每发送一个字节后，接收器必须产生一个响应位。响应位的驱动时钟由主机产生则接收器将SDA线拉低产生响应位。如果主机是接收器，则接收最后一个字节时，响应位为1，通知从机结束发送，否则响应位为0。当从机不能响应从机地址(例如它正在执行一些实时函数，不能接收或发送)时，或响应了从机地址但在传输一段时间后不能接收更多的数据字节，此时从机可以通过响应位为1通知主机终止当前的传输，于是主机产生一个停止位终止传输，或者产生重复开始位开始新的传输。

SDA线上传送的数据必须为8位，每次传送可以发送的字节数量不受限制。如果从机要完成一些其他功能(例如执行一个内部中断服务程序)才能接收或发送下一个数据字节，则从机可以使SCL维持低电位，迫使主机进入等待状态。从机准备好接收或发送下一个数据字节时，释放SCL，数据传输继续。

SDA和SCL都是双向线路，使用时通过上拉电阻连接到电源。总线空闲时这两条线路都是高电平，连接到总线的器件的输出级必须是漏极开路或集电极开路，这样总线才能执行"线与"的功能。

主机发完第一个字节后，数据传输方向的变化可能存在三种情况。(1)传输方向不变，如主机向从机写；(2)传输方向改变，如主机从从机读数据；(3)传输方向改变多次，如主机对从机进行多次读写。

2 时钟同步与仲裁

I2C总线在任何时刻只能有一个主机，当I2C总线同时有两个或更多的器件想成为主机时，就需要进行仲裁；时钟同步的目的就是为仲裁提供一个确定的时钟。时钟SCL的同步和仲裁通过"线与"来执行，SCL的低电平时间取决于低电平时间最长的主机，高电平时间取决于高电平时间最短的主机。

仲裁过程在数据线SDA线上进行，当SCL为高电平时，如果SDA线上有主机发送低电平，则发送高电平的主机将关闭输出级。因为总线的状态和自身内部不一样，于是发送低电平的主机赢得仲裁。仲裁可以持续多个位，在实际通信过程中，仲裁的第一阶段比较地址位，如果多个主机寻址同一个从机，则继续比较数据位(主机是发送机)或响应位(主机是接收机)。由于I2C总线上的地址和数据由赢得总线的主机决定，因此仲裁过程中不会丢失信息。如果一个主机具有从机功能，则当它失去仲裁时，必须立即切换到从机状态，因为它可能正在被其他主机寻址。

3 I2C总线控制器设计

I2C总线控制器的主要作用是提供微控制器(μC)和I2C总线之间的接口，为两者之间的通信提供物理层协议的转换。在串行应用系统中，外围器件(如串行E2PROM、LCD、实时钟等)连接在I2C总线上，再通过I2C总线控制器和μC连起来。其典型的应用，如现在许多彩电的控制系统都基于I2C总线。为了使设计清晰明了，本文将控制器的设计分成两部分。一部分为微控制器(μC)接口，另一部分为I2C接口，如图2所示。

μC接口部分主要包含状态寄存器(MBSR)、控制寄存器(MBCR)、地址寄存器(MADR)、数据寄存器(MBDR)和地址译码/总线接口模块。状态寄存器指示I2C总线控制器的当前状态，如传输是否完成、总线是否忙等信息。控制寄存器是μC控制I2C总线控制器的主要途径，通过置0/1完成I2C总线控制器使能、中断使能、主/从(Master/Slave)模式选择、产生起始位等操作。地址寄存器保存着I2C总线控制器作为从机时的地址。数据寄存器用于保存接收的数据或是待发送的数据。

I2C接口的核心是主状态机，它控制着整个I2C接口的运作。和I2C总线直接相连的模块有起始/停止位产生模块、I2C Header寄存器、I2C数据寄存器和仲裁及起始/停止位检测模块。当控制器是Master时，起始/停止位产生模块用于在I2C总线上产生起始位和停止位；I2C数据寄存器用于保存总线上传送的数据；仲裁及起始/停止位检测模块的作用是执行仲裁，并检测I2C总线上的起始/停止位，以便为主状态机提供输入。其他模块包括：I2C状态寄存器，用于记录I2C总线的状态；地址比较模块，用于比较总线上传送的地址和本机的从机地址是否一致，如果一致，说明其他主机正在寻址本控制器，控制器必须立即切换到从机状态，同时发出响应位。

作者：钱敏 黄秋萍 李富华 刘蓓 来源：21IC电子网