基于VHDL的I2C总线控制核设计

   摘要：从状态机的角度，介绍一种I2C控制核的VHDL设计方法。将其嵌入到FPGA中，用于实现与TMS320C6000系列DSP的接口，并配合DSP的软件完成对视频采集与显示处理系统中数字视频编、解码器工作模式寄存器的配置及其状态查询。着重介绍I2C控制核的总体设计方案，详细描述其内部命令状态机和时序状态机的工作原理及相应的VHDL代码。此外，介绍I2C控制核与DSP相互通信中断处理机制的VHDL实现方法。最后，给出在Xilinx公司的ISE6.1+ModelSimXE5.7c软件平台中进行EDA的综合结果与时序仿真图。

    关键词：I2C总线 状态机FPGA VHDL DSP 控制器核

引言

I2C总线是双向、两线、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。由于其使用两线的硬件接口简单，I2C总线的应用越来越广泛。实现I2C总线通信协议主要有两种方法：①利用MCU对两根I/O口线进行软件编程，模拟I2C总线的SCL和SDA时序要求；②使用专用I2C总线控制核，但受其主机（host）接口方式和时钟频率的限制，在有些场合应用并不方便。

图1

    在我们开发的基于DSP的视频采集与显示处理系统中，为了满足数字视频信号传输带宽及图像处理算法速度的要求，选择了TI公司的32位高速、高性能DSP TMS320C6711（简称C6711）芯片（CPU时钟150MHz，外围存储器接口EMIF时钟100MHz）作为处理核心；外围加上FPGA和数字视频编码器与解码器，实现对标准复合视频信号的采集、处理和视频显示任务。由于C6711没有可以单独控制的I/O口线，所以不能使用①的方法；由于外围扩展存储器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易实现②的方法，从系统小型化，充分利用FPGA的逻辑资源，提高硬件系统集成度的角度出发，选定在FPGA内自行设计I2C控制核的方法，实现DSP的高速异步存储器接口到I2C总线接口的转化。下面着重介绍如何使用VHDL进行I2C总线控制核设计。

1 总体思想

SCL和SDA分别为I2C总线的时钟线和数据线。目前，支持I2C总线通信协议的视频编、解码芯片大多只支持100Kb/s或400Kb/s的传输速度，并且支持两种地址：①从设备地址（SCLAVE ADDRESS，8bit），分为读地址和写地址，高7位用于选中芯片， 第0位是读/写控制位（R/W），决定是对该芯片进行读或写操作；②内部寄存器单元地址（SUBADRRESS，8bit），用于决定对内部的哪个寄存器单元进行操作，通常还支持地址单元连续的多字节顺序读写操作。I2C总线的读、写操作过程如下。

写过程（S：开始，Sr:重开始，P:停止，-S：从设备，-M：主设备，W：写位，R：读位）

SLAVE ADDRESS(W)

ACK-S

SUBADDRESS

ACK-S

DATA(N BYTES)

ACK-S

P

读过程

S	SLAVE ADDRESS(W)	ACK-S	SUBADDRESS	ACK-S
(Sr)	SLAVE ADDRESS(R)	ACK-S	DATA(N BYTES)	ACK-M	P

I2C控制核的设计采用自顶而下的方法，分为三个模块：I2C_top模块、I2C_cmd模块、I2C_core模块。总体结构框图如图1所示。I2C_top模块是顶层管理模块，主要任务是接收DSP发来的控制信号、命令及数据；发送由从设备读出的数据和确认位到DSP；实现I2C控制核与DSP的中断通信机制；提供当前I2C控制核的工作状态；把DSP发出的命令字信号送到I2C_cmd模块。

在设计I2C控制核时，必须注意以下几个方面：

①I2C控制核与主机（Host，即C6711 DSP）以及视频编解码器的硬件接口连接关系。考虑到I2C总线通信协议的时序关系及芯片读/写操作过程，I2C控制核应该包括两个外围接口，如图1所示。一是与C6711 EMIF（External Memory Interface，扩展存储器接口）的高速异步存储器ASRAM（Asynchronous SRAM）接口，称为主机接口。它向I2C控制核发出控制命令与数据，钖0位地址总线、32位双向三态数据总线、异步输出使能信号aoe、异步写使能awe、异步读使能are、外部存储器空间选通ce2、外部中断申请eint。二是与视频编/解码器相连的I2C两线接口SCL、SDA。I2C控制核称为I2C总线的主设备（master），实现EMIF的ASRAM接口向I2C总线接口的转化；I2C器件（视频编码器、视频解码器）被称为I2CU叫线的从设备（slave）。

    ②如何通过软件编程，方便地实现对控制核中各种命令的操作。为此，在控制核内部共设备了6个8位寄存器，用于管理整个控制核的工作。这些寄存器的名称、标号、位数、地址、操作方式，以及寄存器内部设备的控制位及功能的具体情况如表1所列。寄存器内部设置的控制位及功能的具体情况如表1所列。寄存器的寻址使用EMIF接口地址总线的低三位eadd[4～2]和由高位地址译码得到的I2C控制核使能信号nce。当DSP发出的读、写命令完成后，I2C_top会向DSP发中断请求eint，让DSP发出下一个命令到CR，从RXR中读数，或进发送新数据到TXR。

表1 I2Ctop模块内部寄存器

寄存器	位  数	地  址	操 作	控制位及功能
控制寄存器CTR	8	000	只写	I2C控制核使能位（core-en），（中断使能位ien）
命令寄存器CR	8	001	只写	启动（start-r）、读（rd-r）、写（wr-r）、停止（stop-r）、主设备确认（ack-r）、中断响应位（i-ack-r）
状态寄存器SR	8	010	只读	从设备确认位（rx-ack）、I2C-core模块忙位（Core-busy）
发送寄存器TXR	8	011	只写	寄存器发送到从设备的数据
接收寄存器RXR	8	100	只读	寄存由从设备读取的数据
时钟尺度寄存器PRES	8	101	读写	寄存器时钟尺度因子，对时钟信号（eclk）实现指定倍数分频，得到SCL和SDA的五个子状态相互转移的同步时钟使能信号（eclk-en）

时钟尺度寄存器（PRES）用于产生两个时钟频率信号：pres(7 downto 5)，用于产生I2C控制核的工作频率fcore；pres(5 downto 0)，用于产生I2C总线的时钟SCL频率fi2c。其计算公式如下：

其中：pres1=1+pres(7 downto 5)

pres2=1+pres(4 dwonto 0)

由于eclk=100MHz,以pres(7 downto 5)=“100”=4，pres(4 downto 0)="10000"=16,则

fcore=100/[2×(1+4)]=10MHz

fi2c=10/[6×(1+16)]=0.098MHz=98kHz≤100kHz

可以看出，这样设备时钟尺度寄存器容易实现100MHz～100kHz的转变。

③需要设置与DSP的相互通信的机制。由于C6711的CPU运行速度为150MHz，而I2C的速度仅为100Kb/s，为了不影响DSP程序的高速运行，采用中断机制。当DSP发出读、写命令后，继续执行自己的程序，而由I2C控制核完成命令后，I2C_top模块负责向DSP发中断请示eint。DSP在中断服务程序中读取SR，从RXR中读数，并发出新命令到CR，发送新数据到TXR。

2 状态机描述

设计的核心工作是对I2C总线命令及时序的状态划分。在控制核内共设置了两个状态机，分别称为命令状态机和时序状态机。其中，命令状态机用于管理I2C总线上的命令状态，如表1所列，并实现I2C总线具体的读、写操作的命令状态转移过程；时序状态机用于实现I2C总线上启动、停止、读、写、确认等命令的具体时序关系。这样就把控制核从逻辑上分为两个状态机，共同完成最终的总线命令与时序。

2.1 命令状态机

命令状态机是I2C_cmd模块的核心部分。该模块的主要功能有两个：一是把I2C_top模块发送的start、write、read、stop四个命令信号转化命令码，发送I2C_core模块；二是实现DSP发出和从slave接收到数据的串并转换。

从I2C总线的通信协议中可以看出I2C总线上的信号可以分为空闲（IDLE）、启动（START）、读（READ）、写（WRITE）、确认（ACK）和停止（STOP）六种工作状态。在IDLE时，SCL和SDA都为高电平，从设备不断检测Start命令的出现。I2C控制核（即I2C总线的主设备）在接收到DSP发送来的Start命令后，主设备进入START状态，并根据Read和Write命令，可以进入READ或WRITE状态。由于主机的读、写操作都是以字节进行的，对应8个周期的I2C总线读/写操作，故设置一个8字拍的计数器，使得READ或WRITE状态能维持8个SCL周期。在完成字节读或写操作之后，都将进入ACK状态。进入ACK，标志一个DSP的读/写命令已经完成，因此发送中断申请给DSP。在中断服务程序中，DSP查询状态寄存器后，再发出下一个命令。这时I2C控制核，或者是转移到IDLE，或者是转移到STOP。命令状态转移关系如图2所示。

2.2 时序状态机

I2C_core模块负责与视频编码器、解码器的I2C接口，最终实现I2C总线信号SCL和SDA的启动、停止、读、写、确认等具体操作的时序关系。其功能的实现主要由时序状态来完成。根据I2C总线通信协议中SCL和SDA之间的时序关系，总线上包含两种命令（Start/Restart,Stop）和两种操作（Write，Read），时序关系如图4所示。Start命令：在SCL为高电平时，SDA上出现一个下降沿。Stop命令：在SCL为高电平时，SDA上出现一个上升沿。Write操作：SDA只能在SCL为低电平时变化，在SCL为高电平时应保持不变。Read操作：只能在SCL为高电平时，对SDA进行采样。

图4

    为了叙述上的方便，每个命令状态在时序上划分为5个子状态（A，B，C、D、IDLE）。I2C总线时序状态转移关系如图3所示，状态划分如图4所示。在实际中为了更精确地控制时序，对命令时序进行了更细的划分。START和STOP分为7位子状态（a～f,idle），WRITE和READ分为6个子状态（a～e,idle）。这个“6”也就是为什么在公式（2）中分母上有一个“6”。

SCL在Start命令的A状态时，保持原有电平不变，而在B状态时变为高电平，这样就可以实现Restart命令。系统时钟信号eclk由时钟尺度因子分频，得到状态转移的同步时钟使能信号（eclk_en）。在eclk和eclk_en的控制下进行状态移转，最后都转移到空闲状态（IDLE），并保持最后一个状态时的信号电平。图4中标注了每个命令的关键时刻。

3 中断信号的处理机制

I2C控制核作为I2C总线的主设备，是在DSP的控制下工作的。它采用中断机制与DSP通道。当一个读写命令完成后，主设备会向DSP发出一个中断申请信号eint（上升沿有效）。在DSP的中断服务程序中，置位命令寄存器的中断响应确认位（i_ack_r='1'），使主设备清除其发出的中断申请信号（eint='0'），而i_ack_r信号将在置位命令结束后的下一个时钟上升沿自动清除。这样，可以允许主设备发出下一个中断申请。

图5

    process(nReset,eclk)

begin

if(nReset='0')then

int<='0';i_ack_r<='0';

elsif(eclk'vent and eclk='1')then

if(nce='0'andnAwe='0')then

if(core_en='1'and eadd="001")then

--写入命令寄存器

i_ack_r<=cr(7);--写入'1'

end if;

else

i_ack_r<='0'; --自动清除

end if;

int<=cmd_done_ack and ien；

end if;

Eint<=int and(not i_ack_r_;end process;命令码

4 EDA综合结果与结论

使用Xilinx ISE6.1对I2C核的VHDL描述进行综合（synthesize）和实现（implement），目标器件采用Xilinx公司的高密度系统级FPGA-Virtex系列芯片v50cs144-6。设计的总体等效门数为1844门，系统时钟的最大频率为120.758MHz。图5为使用ModelsimXE5.6a对在目标器件上布局布线后的VHDL模块进行仿真（Simulate Post-Place & Route VHDL Module）的结果。其中，edat信号上“10010000”中的“1”依次是启动和写命令；“01100001”中的“1”依次是停止、读、中断清除命令。从图中可以看出，实现了从TMS320C6000 EMIF接口到I2C总线接口的转换功能，并实现发中断申请（eint=1）和清除中断申请的功能，完成了I2C总线通信协议的启动、写、确认，读、确认、停止操作的时序。