DS4830的多地址I2C总线从机模块设计

摘要：为了使Maxim公司的光微控制器DS4830满足光收发模块SFF-8472协议(光收发器件动态诊断监控接口协议)中的多I2C总线从机地址的要求，根据DS4830内部I2C总线主从模块及集成开发环境IAR的特点，设计了DS4830作为I2C总线从机的硬件及软件。实验证明，该设计满足SFF-8472协议中关于I2C总线从机的要求。
关键词：光微控制器；DS4830；I2C总线从机；SFF-8472

引言
    经过十几年不懈努力，我国已经成为光纤、光缆、光器件和光收发模块的制造大国，特别是在光收发模块领域取得了长足的发展。目前，光收发模块正朝着小型化、高速率、低功耗、长距离方向发展。特别是高速率方向，从最初的10 Mbps、100 Mbps、1 000 Mbps，到10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps。其对内部使用的微控制器提出越来越高的要求。不仅仅对微处理器的处理速率有要求，而且对微处理器外围功能模块如ADC、DAC、TEC(Thermoeleetric Cooler)等处理性能的要求也越来越高。针对此，Maxim公司针对光通信行业特殊应用及功能要求，定制设计了一款采用低功耗、16位MAXQ20核的微控制器，其提供了完备的光控、校准及监测方案，主要应用于XFP(10 Gbps小型可插拨式模块)、SFP(小型可插拨式模块)、SFP+(增强型小型可插拨式模块)、QSFP(4通道小型可插拨式模块)、40／100 Gbps光收发器、GPON(Gigabit无源光网络模块)、10GEPON(10 Gbps以太网无源光网络模块)、XPON(下一代无源光网络模块)等产品上。
    DS4830有如下特性：
    ①16位MAXQ20核，RISC指令集，标准Harvard结构。无须借助指令流水线即可实现全部指令的单周期指令的执行。
    ②36 K字Flash程序存储器，4 K字ROM程序存储器，1K字数据RAM。
    ③10路PWM通道(BOOST／BUCK DC／DC控制，支持4路TECC H—Bridge控制)。
    ④最多26路输入的ADC，分辨率达13位。
    ⑤8路DAC通道(12位电压型DAC)。
    ⑥31路GPIO引脚。
    ⑦内置温度传感器。
    ⑧可屏蔽的中断源。
    ⑨内部20 MHz的晶振，可支持133 MHz外部晶振。
    ⑩支持I2C总线及JTAG BootLoader。
    低功耗设计，在所有模拟模块使能情况下，功耗仅为16 mA。
    在光通信行业中，I2C总线是主要的通信接口，无论是应用于光收发还是PON类产品，均要求DS4830作为I2C总线的从机时，要满足SFF-8472协议。SFF-8472协议是一个关于光学器件的数字监控方面的多元协议，主要应用于光收发模块行业，定义其基本的A0H和A2H的MEMORY MAP(地址映射表)，即DS4830要满足SFF-8472协议，其能响应两个I2C总线从机地址：0xA0、0xA2。其中，0xA0定义了一个256字节的EEPROM存储器，定义了接口形式、速率、生产厂商、生产日期等信息，0xA2同样定义了一个256字节的EEPROM，包括了光收发器的一些实时监控参量(如温度、电压、发端BIAS电流、发端光功率、收端光功率)报警门限及报警标志。

1 硬件设计
    DS4830有两个I2C总线接口，主I2C总线接口和从I2C总线接口。其中，主I2C总线接口使用MSDA(PIN24)、MSCL(PIN26)这两个引脚。从I2C总线接口使用SDA(PIN3)、SCL(PIN2)这两引脚。SFF-8472协议要求光收发器有两个I2C总线从地址，即微控制器要响应两个I2C总线从地址，但由于DS4830主从I2C总线模块接口只能响应一个I2C总线地址，需要将主I2C总线接口设置为从I2C总线模式，并且在硬件上需要将这两个I2C总线接口相连即MSDA与SDA相连作为SDA线，MSCL与SCL相连作为SCL线。
    同时，根据I2C总线协议可知，每条总线线路的电容负载Cb在标准模式下最大为400 pF，而DS4830这两个I2C总线接口引脚的电容负载CBIN典型值仅为5 pF，两条总线并在一齐，电容负载也仅为10 pF。另外，针对光收发模块的I2C总线上是不会存在许多I2C总线从器件，故这样的总线相连，不会影响其I2C总线的电气特性。

2 FIRMWARE设计
2．1 开发环境
    在FIRMWARE设计中，开发环境为IAR公司的Embedded Workbench For MAXQ 2．40版本。
    DS4830内部的主I2C总线模块的寄存器共5个，说明如下：
    ①主I2C总线控制寄存器(I2CCN_M)。寄存器地址为M1[0CH]，其功能主要有I2C总线工作模式的主从设置，I2C总线的Clock Stretching和I2C总线的TIMEOUT功能相同，都是使能和关闭。
    ②主I2C总线状态寄存器(I2CST_M)。寄存器地址为M1[01H]，功能是显示各种I2C总线操作时序的状态位。
    ③主I2C总线中断使能寄存器。地址为M1[02H]，控制各种I2C总线中断源的使能。
    ④主I2C总线数据寄存器(I2CBUF_M)。寄存器地址为M1[00H]，它是I2C总线上的数据寄存器，一级缓冲、发送、接收于一体。
    ⑤主I2C总线地址寄存器(I2CSLA_M)。寄存器地址为M1[0FH]，功能是设置响应的从I2C总线地址。
2．2 从I2C总线模块寄存器
    从I2C总线模块寄存器如下：
    ①从I2C总线控制寄存器。寄存器地址为M2[0CH]，寄存器名称为I2CCN_S。
    ②从I2C总线状态寄存器。寄存地址为M2[01H]，寄存器名称为I2CST_S。
    ③从I2C总线中断使能寄存器。寄存地址为M2[02H]，寄存器名称为I2CIE_S。
    ④从I2C总线数据寄存器。寄存器地址为M2[00H]，寄存器名称I2CBUF_S。
    ⑤从I2C总线地址寄存器。寄存器地址为M2[0FH]，寄存器名称为I2CSLA_S。
2．3 cstarup．s66文件
    DS4830共提供了13个寄存器的模式，其分为外围寄存器和系统寄存器两部分。其中，外围寄存器包括有6个模式(模式0～模式5)，主I2C总线相应的寄存器在模式1，从I2C总线的相应寄存器在模式2，故在设计中断服务程序中，必须访问不同模式下的寄存器。这必须修改cstartup．s66文件，该文件类似于Keil C51中的STARTUP文件，但是不同于Keil，在创建项目的时候，集成编译器自动添加一个STARTUP启动文件，而且这个文件直接列在项目表上，让人一目了然。但IAR IDE中，如果没有在项目内人为加入cstartup．s66启动文件，则使用系统默认目录下的默认cstartup．s66文件。
    另外，由于DS4830中断机制只使用一个中断向量，所有中断的优先级别相同。在中断全局使能的情况下，每当一个中断响应后，程序跳转到cstartup．s66区，根据中断标志判断不同的中断源，并跳转进入其相应的中断服务程序。为了加快I2C总线响应速率，需将I2C总线中断的优先级提到最高，通过将主从I2C总线中断服务程序(cstartup．s66文件中的INTERRUPT2)修改到所有中断程序的第一位，即将I2C总线中断入口判断变为保存现场后的第一个判断。
    修改cstartup．s66中断部分代码如下：
   
  
      
2．4 中断服务程序
    中断服务程序流程图如图1所示。

2．5 伪代码(Pseudo Code)
    初始化函数略——编者注。
    (1)Clock stretching机制
    作为从I2C总线器件，有一个关键的特性就是Clockstretching，即当从器件不及时接收或发送完整的数据时，从器件会将SCL线拉低，强迫I2C总线主机进入等待状态，直到从器件准备好相应的数据后才释放SCL总线。由于DS4830内核是20 MHz时钟，但其指令时钟仅为10MHz，要达到标准100 kHz的I2C总线时钟速率，必须在软件控制Clock stretching时，即在初始化时使能Clockstretching使能位I2CSTREN。IAR生成的中断服务程序的LIST文件部分略——编者注。
    DS4830中断响应时间分为3部分：
    ①CPU响应4个指令周期。
    ②cstartup执行最多10个指令周期。
    ③中断服务程序执行压栈部分16个指令周期。
    这样算下来进行中断程序未对I2C总线寄存器进行处理前已有30个指令周期时间，即30×0．1μs=3．0μs。要达到100 kHz的I2C总线速率，按占空比50％计算，低电平为5μs，故不考虑上升下降沿的时间，留给中断服务程序的时间仅有2μs去处理I2C总线寄存器和相应SFF-8472协议EEPROM要求。这是相当困难的，所以尽量提高I2C总线速率，使能Clock stretching。
    实际验证中，当I2C总线模块不使能Clock stretching后，上位机(I2C总线主机)对DS4830 0xA0地址的3种I2C总线读操作为：当前读、页读、单字节读，其读出的结果均为0xA1。原因即是I2C总线主机发送到从器件的I2C总线地址值为0xA1(读模式)，在SCL时钟低电平期，真正要发送的数据还未送到数据寄存器(I2C_BUF)，此时数据寄存器中仍为接收到的地址值。SCL高电平来到，直接将这个值移位出了数据寄存器送到I2C总线上，如图2所示。

    (2)SMBus Timeout机制
    SMBUS(System Management Bus)，是1995年Intel公司提出的，最初设计应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通信。它与I2C总线电气及协议定义上类似，但在速率、超时错误、逻辑电平和总线协议上有所区别。DS4830主机I2C总线模块是使用兼容I2C总线协议，并引入SMBUS超时错误功能，使用一个30 ms的定时器，当总线SCL低电平超过这个时间后，触发TIMEOUT中断，以释放I2C总线，避免I2C总线的锁死。由于各种公司的I2C总线兼容协议可能存在一些差异，各种时序，包括一些非法或错误的时序都有可能在总线上出现，所以使用TIMEOUT机制来避免I2C总线死锁是相当有效和实用的。DS4830使能TIMEOUT功能，通过I2CCN_S(M)控制寄存器的SMB_MOD置位来实现。

结论
    本文通过介绍DS4830相应主从I2C总线模块接口的寄存器，利用IAR编译环境实现了I2C总线从器件操作，并满足SFF-8472协议对多从机地址的要求。系统的上位机发出各种常规的I2C总线读操作及写操作均正常。该方法已应用于SFP+ZR、QSFP产品中，并得到客户系统验证，I2C总线可靠、稳定。