基于VHDL的I2C總線控制核設計

基于VHDL的I2C總線控制核設計

摘要：從狀態機的角度，介紹一種I2C控制核的VHDL設計方法。將其嵌入到FPGA中，用于實現與TMS320C6000系列DSP的接口，并配合DSP的軟件完成對視頻采集與顯示處理系統中數字視頻編、解碼器工作模式寄存器的配置及其狀態查詢。著重介紹I2C控制核的總體設計方案，詳細描述其內部命令狀態機和時序狀態機的工作原理及相應的VHDL代碼。此外，介紹I2C控制核與DSP相互通信中斷處理機制的VHDL實現方法。最后，給出在Xilinx公司的ISE6.1 ModelSimXE5.7c軟件平臺中進行EDA的綜合結果與時序仿真圖。

引言

I2C總線是雙向、兩線、串行、多主控（multi-master）接口標準，具有總線仲裁機制，非常適合在器件之間進行近距離、非經常性的數據通信。由于其使用兩線的硬件接口簡單，I2C總線的應用越來越廣泛。實現I2C總線通信協議主要有兩種方法：①利用MCU對兩根I/O口線進行軟件編程，模擬I2C總線的SCL和SDA時序要求；②使用專用I2C總線控制核，但受其主機（host）接口方式和時鐘頻率的限制，在有些場合應用并不方便。

圖1

在我們開發的基于DSP的視頻采集與顯示處理系統中，為了滿足數字視頻信號傳輸帶寬及圖像處理算法速度的要求，選擇了TI公司的32位高速、高性能DSP TMS320C6711（簡稱C6711）芯片（CPU時鐘150MHz，外圍存儲器接口EMIF時鐘100MHz）作為處理核心；外圍加上FPGA和數字視頻編碼器與解碼器，實現對標準復合視頻信號的采集、處理和視頻顯示任務。由于C6711沒有可以單獨控制的I/O口線，所以不能使用①的方法；由于外圍擴展存儲器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易實現②的方法，從系統小型化，充分利用FPGA的邏輯資源，提高硬件系統集成度的角度出發，選定在FPGA內自行設計I2C控制核的方法，實現DSP的高速異步存儲器接口到I2C總線接口的轉化。下面著重介紹如何使用VHDL進行I2C總線控制核設計。

1 總體思想

SCL和SDA分別為I2C總線的時鐘線和數據線。目前，支持I2C總線通信協議的視頻編、解碼芯片大多只支持100Kb/s或400Kb/s的傳輸速度，并且支持兩種地址：①從設備地址（SCLAVE ADDRESS，8bit），分為讀地址和寫地址，高7位用于選中芯片， 第0位是讀/寫控制位（R/W），決定是對該芯片進行讀或寫操作；②內部寄存器單元地址（SUBADRRESS，8bit），用于決定對內部的哪個寄存器單元進行操作，通常還支持地址單元連續的多字節順序讀寫操作。I2C總線的讀、寫操作過程如下。

寫過程（S：開始，Sr:重開始，P:停止，-S：從設備，-M：主設備，W：寫位，R：讀位）

SLAVE ADDRESS(W)ACK-SSUBADDRESSACK-SDATA(N BYTES)ACK-SP

讀過程

SSLAVE ADDRESS(W)ACK-SSUBADDRESSACK-S(Sr)SLAVE ADDRESS(R)ACK-SDATA(N BYTES)ACK-MP

I2C控制核的設計采用自頂而下的方法，分為三個模塊：I2C_top模塊、I2C_cmd模塊、I2C_core模塊。總體結構框圖如圖1所示。I2C_top模塊是頂層管理模塊，主要任務是接收DSP發來的控制信號、命令及數據；發送由從設備讀出的數據和確認位到DSP；實現I2C控制核與DSP的中斷通信機制；提供當前I2C控制核的工作狀態；把DSP發出的命令字信號送到I2C_cmd模塊。

在設計I2C控制核時，必須注意以下幾個方面：

①I2C控制核與主機（Host，即C6711 DSP）以及視頻編解碼器的硬件接口連接關系。考慮到I2C總線通信協議的時序關系及芯片讀/寫操作過程，I2C控制核應該包括兩個外圍接口，如圖1所示。一是與C6711 EMIF（External Memory Interface，擴展存儲器接口）的高速異步存儲器ASRAM（Asynchronous SRAM）接口，稱為主機接口。它向I2C控制核發出控制命令與數據，钖0位地址總線、32位雙向三態數據總線、異步輸出使能信號aoe、異步寫使能awe、異步讀使能are、外部存儲器空間選通ce2、外部中斷申請eint。二是與視頻編/解碼器相連的I2C兩線接口SCL、SDA。I2C控制核稱為I2C總線的主設備（master），實現EMIF的ASRAM接口向I2C總線接口的轉化；I2C器件（視頻編碼器、視頻解碼器）被稱為I2CU叫線的從設備（slave）。

②如何通過軟件編程，方便地實現對控制核中各種命令的操作。為此，在控制核內部共設備了6個8位寄存器，用于管理整個控制核的工作。這些寄存器的名稱、標號、位數、地址、操作方式，以及寄存器內部設備的控制位及功能的具體情況如表1所列。寄存器內部設置的控制位及功能的具體情況如表1所列。寄存器的尋址使用EMIF接口地址總線的低三位eadd[4～2]和由高位地址譯碼得到的I2C控制核使能信號nce。當DSP發出的讀、寫命令完成后，I2C_top會向DSP發中斷請求eint，讓DSP發出下一個命令到CR，從RXR中讀數，或進發送新數據到TXR。

表1 I2Ctop模塊內部寄存器

寄存器位 數地 址操 作

控制位及功能

控制寄存器CTR8000只寫I2C控制核使能位（core-en），（中斷使能位ien）命令寄存器CR8001只寫啟動（start-r）、讀（rd-r）、寫（wr-r）、停止（stop-r）、主設備確認（ack-r）、中斷響應位（i-ack-r）

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