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1 I2C總線的基本概念 I2C總線協議是Philips公司推出的總線協議。它是多主機總線，通過2根線（SDA-aserial data line，SCL-a serial clock line）與連接到總線上的器件之間傳送信息，根據地址識別每個器件。例如，微控制器、LCD驅動器、存儲器、鍵盤，連接的器件可以工作在發送和（或）接收狀態。很顯然，LCD驅動器等一些器件只能是接收器，而存儲器可以發送和接收數據。對于AT24系列存儲器來說，器件的地址是通過把地址輸入端A0，A1，A2進行硬件連接來確定的。 圖1是典型的I2C總線結構。SDA和SCL都是雙向線，通過上拉電阻接正電源。當總線空閑時，這兩根線處于高電平狀態，連到總線的器件的輸出級必須是開漏極或集電極開路，以具有線“與”的功能。設備與總線的接口電路如圖2所示。 2 I2C總線的數據傳輸 在I2C總線的數據傳輸過程中,定義了開始和停止信號。如圖3所示，SCL保持“高”,SDA由“高”變為“低”為開始信號；SCL保持“高”，SDA由“低”變為“高”為停止信號。開始（S）和停止（P）信號由主器件產生。在時鐘高電平期間上的數據必須保持穩定，如圖4所示，只有在時鐘線SCL的時鐘低電平期間，SDA線上高電平或低電平才能變化。 到SDA線上的每個字節必須是8位長度，每次傳輸的字節數是不受限制的，每個字節后面必須跟一個響應位。如果一個接收器件在完成其他功能前（如一個內部中斷）不能接收另一個數據的完整字節時，可以使時鐘保持低電平，以促使發送器進入等待狀態。當接收器準備好接收下一個數據字節并釋放SCL線，數據傳輸繼續進行。圖5表示出了I2C總線上的數據傳送時序。 數據傳送具有應答是必須的。與應答對應的時鐘脈沖由主控器件產生。發送器在應答期間必須下拉SDA線。當尋址的被控器件不能應答時，數據保持為高，于是主器件產生停止信號終止傳輸。 3 IP核的設計 3.1該IP核設計與軟件實現的比較 在I2C總線的應用中，實現微機與AT24系列存儲器之間的通信，可以把微機的通用I/O口作為I2C總線的接口，通過匯編由軟件控制實現數據的傳輸。由于軟件在操作上時間的原因，速度總要受到限制。并且匯編控制也很難作為一個統一的標準在應用中推廣。通過IP核設計，我們可以在硬件上實現數據串并轉換的目的。工作的速度只與存儲器本身的特性有關，克服了軟件在此方面的不足。 3.2系統設計方案 該系統主要由I2C串行移位寄存器（SSR）、數據緩沖寄存器（IDBR）、控制寄存器（ICR）、狀態寄存器（ISR）、從地址寄存器（ICCR）、SCL產生器（SCL Generator）及其他總線組成。圖6為其基本內部結構。 在該系統中，SSR把并行數據變為串行數據，傳輸給存儲器，或者把存儲器的串行數據變為并行數據，傳輸為處理器；IDBR把并口來的數據或把被轉換成并行的數據暫且裝載起來；ICR控制著整個系統的讀/寫、數據的轉換等操作；ISR則監視著系統的狀態。 3.3數據的通信格式 主控制器（CPU）如果要從存儲器讀數據或者寫（0表示寫）數據到存儲器，則需經過接口轉換。SDA上的信號傳輸要遵循一定的格式。在主控制器(CPU)給存儲器寫數據時，把設備地址、字節地址和數據送給接口，接口完成與存儲器之間的數據交換。如下： 其中確認（A）是存儲器傳送給接口的信號，其余的如開始（S）、設備地址等信號是接口產生的信號。 主控制器從接口讀數據時，會把設備地址、字節地址和讀信號告訴接口，接口通過與存儲器進行數據交換，把數據讀出來，送給主控制器。數據格式如下： 其中確認（A）和數據是存儲器產生的，其余的如開始（S）、設備地址、停止（P）等信號是接口產生的。 3.4IP核的VHDL設計 該IP核的VHDL設計從低到高共5個模塊。這幾個模塊分別為頭地址移位寄存器模塊、數據移位寄存器模塊、計數器模塊、控制模塊和外圍綜合模塊。 頭地址移位寄存器是用來裝載寫入（讀出）設備地址，在控制模塊的控制下，把設備地址移位到串行數據線SDA上。數據移位寄存器是用來裝載寫入/讀出的數據、字節地址，并在控制模塊的控制下，把寫入的數據、字節地址移位到SDA上，或者把從SDA讀出的串行數據變為并行數據，以傳送給主控制器。在該IP核設計中，需要對移位的數據字節進行記數，計數器模塊實現該功能。控制模塊主要通過以剛提到的三個模塊為基礎，實現了數據的單向傳輸，也就是把雙向的數據線分成2根單向的數據線來傳輸數據。而外圍綜合模塊則把2根單向的的數據線綜合成一根雙向的數據線SDA，實現了接口的串并轉換功能。 3.5VHDL的實現與仿真 硬件描述語言VHDL（Very-high Speed IC Hard-ware Description Language）是一種用于電路設計的高層次描述語言，具有行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次描述，并具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關等優點。本設計采用MAX+plus Ⅱ 9.5 作為綜合工具，對設計的VHDL程序進行調試和波形仿真。 在調試中，MAX+plus Ⅱ生成所需要的I2C接口模塊，如圖7所示，表示了整個接口的外部結構。 其中各個管腳的意義如下： 在仿真中，選擇EPF10K10LC84-3 作為下載芯片來實現模擬仿真。當向存儲器寫數據時，串行時鐘線和數據線得到圖8所示的仿真波形。 當從芯片中讀數據時，串行數據線和時鐘線上得到的仿真波形如圖9。 4結論 以上介紹了基于I2C總線協議的AT24系列存儲器數據串并轉換接口的VHDL設計，該接口是針對8位微處理器而設計的。基于FPGA技術的基礎上，把軟件仿真、編譯成功的程序，經JTAG電纜下載到以上指定的芯片上，用89C51與設計的接口進行數據通信，通過硬件驗證，能實現它應具備的功能，可在通信系統中得到運用。 |
