利用CPLD器件和微处理器实现I2C总线控制器的应用方案

1 引言

I2C总线是PHILIPS公司推出的新一代串行总线，由于其结构简单、灵活，各结点具有独立的电气特性，可实现电路的模块化、标准化而被广泛应用。目前许多MCU都带有I2C总线接口，对没有I2C总线的MCU，可采用软件模拟，有通用软件包可以使用，但功能比较简单。在MCU（以Motorola 68000系列为例）和CPLD电子系统设计中，利用CPLD器件资源，按照I2C总线协议标准模式，设计了功能完善的I2C总线控制器，给出了设计思路和实现方法。

2 I2C总线控制器的设计与实现

2．1 I2C总线控制器的原理图

I2C总线控制器的设计采用VHDL语言描述，经编译、综合、适配，下载到具体的CPLD目标器件中，即可实现I2C总线控制器功能。其原理图如图一所示，该设计包括MCU接口和I2C总线接口两大部分。

2．2微处理器（MCU）接口逻辑的设计

MCU接口逻辑包括：地址译码/总线接口、状态寄存器（MBSR）、控制寄存器（MBCR）、地址寄存器（MADR）和数据寄存器（MBDR）等组成。I2C总线控制器的微处理器接口支持异步字节数据传输协议，该协议的执行是通过MCU对I2C总线控制器中有关寄存器读写完成的，MCU读写协议如图二所示。

2．2．1地址译码/总线接口的设计

在I2C总线控制器中对MCU数据读/写协议的执行由MCU总线接口状态机完成，整个状态机包含空闲状态、地址译码状态、数据传输状态和应答状态。当MCU设置读/写操作、输出要访问的I2C控制器中寄存器地址信号，并使地址选通信号有效时，状态机从空闲状态进入地址译码状态。若I2C控制器中寄存器被寻址且数据选通信号有效，状态机从地址译码状态进入数据传输状态：如果是读周期，I2C控制器将被访问的寄存器中数据放置在MCU接口总线上；如果是写周期，I2C控制器将从MCU接口总线取数据锁存到I2C控制器的内部被访问的寄存器中，状态机自动进入应答状态，此时，DTACK信号有效表明，如果是读周期，MCU即可从MCU接口总线读取数据；如果是写周期，数据已锁存到I2C的内部寄存器中。

2．2．2 MCU接口特殊功能寄存器的功能

MCU接口地址线共24根，其中高16位为基址（MBASE），用于确定I2C控制器的地址，低8位为MCU接口中特殊功能寄存器的地址。

1）地址寄存器（MADR）：寄存器地址为MBASE+$8Dh，存放I2C控制器工作在从机模式时的从机地址。从机地址占高7位，最低位未用。

2） 控制寄存器（MBCR）：寄存器地址为MBASE+$91h，产生控制信号，各位功能如下：

MEN：I2C控制器使能。该位为1时，控制寄存器的其他各位才有效；MIEN：中断使能；

MSTA：主/从模式转换。当MCU使该位从0变为1，I2C进入主机模式，并产生起始条件；若清0，产生停止条件，并转换为从机模式；

MTX：主机发送/接收模式选择。置1，主机发送，清0，主机接收；

TXAK：传输应答使能。置1，无应答；清0，有应答；

RSTA：重复起始条件。I2C控制器在主机模式，写入1，产生重复起始条件；若总线被其他主机占用，写入1时，读回0。

3）状态寄存器（MBSR）：寄存器地址为MBASE+$93h，各位设置与功能如下：

MCF：数据传送标志位，当一字节数据正在传输时，为0，一字节数据传输结束，置1；

MASS：从机地址寻址标志位。当I2C控制器中地址寄存器的值与I2C总线传输的地址匹配时，置1，否则为0；

MBB：I2C数据总线忙标志位；

MAL：仲裁丢失标志位。当I2C控制器仲裁丢失时，由硬件置1，MCU的软件清0；

SRW：从机读/写标志位。I2C工作于从机模式，主机从I2C控制器读，置1；写，清0；

MIF：中断请求标志位。当MIEN置1，且有中断请求时，该位置1，在MCU的中断服务程序中，由软件清0；

RXAK：接收应答信号标志位。有应答信号接收，置1；无应答信号接收，清0。

4） 数据寄存器（MBDR）：寄存器地址为MBASE+$95h，在物理上，数据寄存器映射成两个独立的寄存器，一个用于发送数据，一个用于接收数据，当MCU访问它们时，两个寄存器共用一个地址。

2．3 I2C接口逻辑的设计

I2C接口主要包括：主状态机、起始条件/停止条件/SCL时钟信号的生成、仲裁/起始条件/停止条件的检测、I2C状态寄存器、I2C数据寄存器、地址比较、和I2C标题寄存器模块等组成。

2．3．1仲裁、起始条件/停止条件的检测

I2C控制器在下列情况将发生仲裁丢失：1） I2C控制器在主机模式，在地址或数据发送周期，当主机发送“1”，但在数据线上的采样值“0”；2） I2C控制器在主机接收模式，在数据接收周期的应答位，当主机发送“1”，但在数据线的上采样值“0”；3）当总线忙时，MCU企图产生起始条件；4） I2C控制器在从机模式，MCU企图产生重复起始条件；5） I2C控制器在主机模式，没有产生停止请求，但检测到停止条件。当I2C控制器检测到起始条件时，数据总线忙标志位置1，检测到停止条件时，数据总线忙标志位清0。

2．3．2 SCL、SDA、起始、停止条件的产生

该模块完成如下功能： 1）允许任何主机控制总线，一旦I2C总线控制器控制总线，将产生起始条件；2）产生SCL串行时钟信号，且对SCL进行逐位仲裁，满足时钟同步协议；3）I2C总线控制器在发送模式时从数据寄存器（MBDR）发送数据到SDA数据线上；4）若I2C总线控制器检测到仲裁丢失，将继续产生SCL信号直到丢失仲裁的该字节末尾；5）当有重复起始条件和停止条件请求时，产生重复起始条件和停止条件。

2．3．3 I2C接口主状态机

I2C接口主状态机如图三所示，无论I2C控制器工作于主机还是从机模式，这个状态机都适用。当仲裁丢失或作为从机被寻址时，I2C控制器立即从主机模式转换为从机模式。

在HEADER状态，I2C工作在主机模式时，一方面从数据寄存器（MBDR）发送标题到I2C总线上，另一方面将I2C数据线上的数据逐位接收到标题移位寄存器内，当8位数据全部移入时，进入ACK_HEADER状态。在ACK_HEADER状态，I2C控制器于主机模式，采样SDA的值， 从而决定是否有从机应答，如果从机不应答，进入STOP状态，等待生成停止条件；如果从机有应答，标题移位寄存器中最低位决定I2C控制器是接收还是发送数据，状态转换到RCV_DATA或XMIT_DATA状态。同时，不断地将地址寄存器（MADR）的值与标题移位寄存器的值进行比较，若地址匹配，I2C控制器作为从机被寻址并立即转换为从机模式。状态寄存器（MBSR）中的从机寻址标志位MAAS置位，将TXAK位发送到SDA线上应答当前的主机，同样标题移位寄存器中最低位决定数据传送方向和下一状态。

3 结语

本文根据I2C总线规范的标准模式，在MCU和CPLD综合应用系统中设计了I2C总线控制器。在实际应用系统中嵌入该IP核，可以节约成本，提高系统的适用范围和可靠性，具有很高的参考设计价值和工程实用价值。

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