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基于VHDL的I2C總線控制核設(shè)計
摘要：從狀態(tài)機(jī)的角度，介紹一種I2C控制核的VHDL設(shè)計方法。將其嵌入到FPGA中，用于實現(xiàn)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(tǒng)中數(shù)字視頻編、解碼器工作模式寄存器的配置及其狀態(tài)查詢。著重介紹I2C控制核的總體設(shè)計方案，詳細(xì)描述其內(nèi)部命令狀態(tài)機(jī)和時序狀態(tài)機(jī)的工作原理及相應(yīng)的VHDL代碼。此外，介紹I2C控制核與DSP相互通信中斷處理機(jī)制的VHDL實現(xiàn)方法。最后，給出在Xilinx公司的ISE6.1+ModelSimXE5.7c軟件平臺中進(jìn)行EDA的綜合結(jié)果與時序仿真圖。關(guān)鍵詞：I2C總線狀態(tài)機(jī)FPGAVHDLDSP控制器核
引言
I2C總線是雙向、兩線、串行、多主控（multi-master）接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，非常適合在器件之間進(jìn)行近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。由于其使用兩線的硬件接口簡單，I2C總線的應(yīng)用越來越廣泛。實現(xiàn)I2C總線通信協(xié)議主要有兩種方法：①利用MCU對兩根I/O口線進(jìn)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(jī)（host）接口方式和時鐘頻率的限制，在有些場合應(yīng)用并不方便。
圖1
在我們開發(fā)的基于DSP的視頻采集與顯示處理系統(tǒng)中，為了滿足數(shù)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DSPTMS320C6711（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(shù)字視頻編碼器與解碼器，實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻信號的采集、處理和視頻顯示任務(wù)。由于C6711沒有可以單獨(dú)控制的I/O口線，所以不能使用①的方法；由于外圍擴(kuò)展存儲器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易實現(xiàn)②的方法，從系統(tǒng)小型化，充分利用FPGA的邏輯資源，提高硬件系統(tǒng)集成度的角度出發(fā)，選定在FPGA內(nèi)自行設(shè)計I2C控制核的方法，實現(xiàn)DSP的高速異步存儲器接口到I2C總線接口的轉(zhuǎn)化。下面著重介紹如何使用VHDL進(jìn)行I2C總線控制核設(shè)計。
1總體思想
SCL和SDA分別為I2C總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線。目前，支持I2C總線通信協(xié)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(shè)備地址（SCLAVEADDRESS，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(jìn)行讀或?qū)懖僮�；②�?nèi)部寄存器單元地址（SUBADRRESS，8bit），用于決定對內(nèi)部的哪個寄存器單元進(jìn)行操作，通常還支持地址單元連續(xù)的多字節(jié)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(shè)備，-M：主設(shè)備，W：寫位，R：讀位）
SLAVEADDRESS(W)ACK-SSUBADDRESSACK-SDATA(NBYTES)ACK-SP
讀過程
SSLAVEADDRESS(W)ACK-SSUBADDRESSACK-S(Sr)SLAVEADDRESS(R)ACK-SDATA(NBYTES)ACK-MP
I2C控制核的設(shè)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�？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。I2C_top模塊是頂層管理模塊，主要任務(wù)是接收DSP發(fā)來的控制信號、命令及數(shù)據(jù)；發(fā)送由從設(shè)備讀出的數(shù)據(jù)和確認(rèn)位到DSP；實現(xiàn)I2C控制核與DSP的中斷通信機(jī)制；提供當(dāng)前I2C控制核的工作狀態(tài)；把DSP發(fā)出的命令字信號送到I2C_cmd模塊。
在設(shè)計I2C控制核時，必須注意以下幾個方面：
�、買2C控制核與主機(jī)（Host，即C6711DSP）以及視頻編解碼器的硬件接口連接關(guān)系�？紤]到I2C總線通信協(xié)議的時序關(guān)系及芯片讀/寫操作過程，I2C控制核應(yīng)該包括兩個外圍接口，如圖1所示。一是與C6711EMIF（ExternalMemoryInterface，擴(kuò)展存儲器接口）的高速異步存儲器ASRAM（AsynchronousSRAM）接口，稱為主機(jī)接口。它向I2C控制核發(fā)出控制命令與數(shù)據(jù)，钖0位地址總線、32位雙向三態(tài)數(shù)據(jù)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(shè)備（master），實現(xiàn)EMIF的ASRAM接口向I2C總線接口的轉(zhuǎn)化；I2C器件（視頻編碼器、視頻解碼器）被稱為I2CU叫線的從設(shè)備（slave）。
�、谌绾瓮ㄟ^軟件編程，方便地實現(xiàn)對控制核中各種命令的操作。為此，在控制核內(nèi)部共設(shè)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(biāo)號、位數(shù)、地址、操作方式，以及寄存器內(nèi)部設(shè)備的控制位及功能的具體情況如表1所列。寄存器內(nèi)部設(shè)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(dāng)DSP發(fā)出的讀、寫命令完成后，I2C_top會向DSP發(fā)中斷請求eint，讓DSP發(fā)出下一個命令到CR，從RXR中讀數(shù)，或進(jìn)發(fā)送新數(shù)據(jù)到TXR。
表1I2Ctop模塊內(nèi)部寄存器
寄存器位數(shù)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(shè)備確認(rèn)（ack-r）、中斷響應(yīng)位（i-ack-r）狀態(tài)寄存器SR8010只讀從設(shè)備確認(rèn)位（rx-ack）、I2C-core模塊忙位（Core-busy）發(fā)送寄存器TXR8011只寫寄存器發(fā)送到從設(shè)備的數(shù)據(jù)接收寄存器RXR8100只讀寄存由從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)時鐘尺度寄存器PRES8101讀寫寄存器時鐘尺度因子，對時鐘信號（eclk）實現(xiàn)指定倍數(shù)分頻，得到SCL和SDA的五個子狀態(tài)相互轉(zhuǎn)移的同步時鐘使能信號（eclk-en）
時鐘尺度寄存器（PRES）用于產(chǎn)生兩個時鐘頻率信號：pres(7downto5)，用于產(chǎn)生I2C控制核的工作頻率fcore；pres(5downto0)，用于產(chǎn)生I2C總線的時鐘SCL頻率fi2c。其計算公式如下：
其中：pres1=1+pres(7downto5)
pres2=1+pres(4dwonto0)
由于eclk=100MHz,以pres(7downto5)=“100”=4，pres(4downto0)="10000"=16,則
fcore=100/[2×(1+4)]=10MHz
fi2c=10/[6×(1+16)]=0.098MHz=98kHz≤100kHz
可以看出，這樣設(shè)備時鐘尺度寄存器容易實現(xiàn)100MHz～100kHz的轉(zhuǎn)變。
�、坌枰O(shè)置與DSP的相互通信的機(jī)制。由于C6711的CPU運(yùn)行速度為150MHz，而I2C的速度僅為100Kb/s，為了不影響DSP程序的高速運(yùn)行，采用中斷機(jī)制。當(dāng)DSP發(fā)出讀、寫命令后，繼續(xù)執(zhí)行自己的程序，而由I2C控制核完成命令后，I2C_top模塊負(fù)責(zé)向DSP發(fā)中斷請示eint。DSP在中斷服務(wù)程序中讀取SR，從RXR中讀數(shù)，并發(fā)出新命令到CR，發(fā)送新數(shù)據(jù)到TXR。
2狀態(tài)機(jī)描述
設(shè)計的核心工作是對I2C總線命令及時序的狀態(tài)劃分。在控制核內(nèi)共設(shè)置了兩個狀態(tài)機(jī)，分別稱為命令狀態(tài)機(jī)和時序狀態(tài)機(jī)。其中，命令狀態(tài)機(jī)用于管理I2C總線上的命令狀態(tài)，如表1所列，并實現(xiàn)I2C總線具體的讀、寫操作的命令狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程；時序狀態(tài)機(jī)用于實現(xiàn)I2C總線上啟動、停止、讀、寫、確認(rèn)等命令的具體時序關(guān)系。這樣就把控制核從邏輯上分為兩個狀態(tài)機(jī)，共同完成最終的總線命令與時序。
2.1命令狀態(tài)機(jī)
命令狀態(tài)機(jī)是I2C_cmd模塊的核心部分。該模塊的主要功能有兩個：一是把I2C_top模塊發(fā)送的start、write、read、stop四個命令信號轉(zhuǎn)化命令碼，發(fā)送I2C_core模塊；二是實現(xiàn)DSP發(fā)出和從slave接收到數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。
從I2C總線的通信協(xié)議中可以看出I2C總線上的信號可以分為空閑（IDLE）、啟動（START）、讀（READ）、寫（WRITE）、確認(rèn)（ACK）和停止（STOP）六種工作狀態(tài)。在IDLE時，SCL和SDA都為高電平，從設(shè)備不斷檢測Start命令的出現(xiàn)。I2C控制核（即I2C總線的主設(shè)備）在接收到DSP發(fā)送來的Start命令后，主設(shè)備進(jìn)入START狀態(tài)，并根據(jù)Read和Write命令，可以進(jìn)入READ或WRITE狀態(tài)。由于主機(jī)的讀、寫操作都是以字節(jié)進(jìn)行的，對應(yīng)8個周期的I2C總線讀/寫操作，故設(shè)置一個8字拍的計數(shù)器，使得READ或WRITE狀態(tài)能維持8個SCL周期。在完成字節(jié)讀或?qū)懖僮髦�，都將進(jìn)入ACK狀態(tài)。進(jìn)入ACK，標(biāo)志一個DSP的讀/寫命令已經(jīng)完成，因此發(fā)送中斷申請給DSP。在中斷服務(wù)程序中，DSP查詢狀態(tài)寄存器后，再發(fā)出下一個命令。這時I2C控制核，或者是轉(zhuǎn)移到IDLE，或者是轉(zhuǎn)移到STOP。命令狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖2所示。
2.2時序狀態(tài)機(jī)
I2C_core模塊負(fù)責(zé)與視頻編碼器、解碼器的I2C接口，最終實現(xiàn)I2C總線信號SCL和SDA的啟動、停止、讀、寫、確認(rèn)等具體操作的時序關(guān)系。其功能的實現(xiàn)主要由時序狀態(tài)來完成。根據(jù)I2C總線通信協(xié)議中SCL和SDA之間的時序關(guān)系，總線上包含兩種命令（Start/Restart,Stop）和兩種操作（Write，Read），時序關(guān)系如圖4所示。Start命令：在SCL為高電平時，SDA上出現(xiàn)一個下降沿。Stop命令：在SCL為高電平時，SDA上出現(xiàn)一個上升沿。Write操作：SDA只能在SCL為低電平時變化，在SCL為高電平時應(yīng)保持不變。Read操作：只能在SCL為高電平時，對SDA進(jìn)行采樣。
圖4
為了敘述上的方便，每個命令狀態(tài)在時序上劃分為5個子狀態(tài)（A，B，C、D、IDLE）。I2C總線時序狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖3所示，狀態(tài)劃分如圖4所示。在實際中為了更精確地控制時序，對命令時序進(jìn)行了更細(xì)的劃分。START和STOP分為7位子狀態(tài)（a～f,idle），WRITE和READ分為6個子狀態(tài)（a～e,idle）。這個“6”也就是為什么在公式（2）中分母上有一個“6”。
SCL在Start命令的A狀態(tài)時，保持原有電平不變，而在B狀態(tài)時變?yōu)楦唠娖�，這樣就可以實現(xiàn)Restart命令。系統(tǒng)時鐘信號eclk由時鐘尺度因子分頻，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移的同步時鐘使能信號（eclk_en）。在eclk和eclk_en的控制下進(jìn)行狀態(tài)移轉(zhuǎn)，最后都轉(zhuǎn)移到空閑狀態(tài)（IDLE），并保持最后一個狀態(tài)時的信號電平。圖4中標(biāo)注了每個命令的關(guān)鍵時刻。
3中斷信號的處理機(jī)制
I2C控制核作為I2C總線的主設(shè)備，是在DSP的控制下工作的。它采用中斷機(jī)制與DSP通道。當(dāng)一個讀寫命令完成后，主設(shè)備會向DSP發(fā)出一個中斷申請信號eint（上升沿有效）。在DSP的中斷服務(wù)程序中，置位命令寄存器的中斷響應(yīng)確認(rèn)位（i_ack_r='1'），使主設(shè)備清除其發(fā)出的中斷申請信號（eint='0'），而i_ack_r信號將在置位命令結(jié)束后的下一個時鐘上升沿自動清除。這樣，可以允許主設(shè)備發(fā)出下一個中斷申請。
圖5
process(nReset,eclk)
begin
if(nReset='0')then
int<='0';i_ack_r<='0';
elsif(eclk'ventandeclk='1')then
if(nce='0'andnAwe='0')then
if(core_en='1'andeadd="001")then
--寫入命令寄存器
i_ack_r<=cr(7);--寫入'1'
endif;
else
i_ack_r<='0';--自動清除
endif;
int<=cmd_done_ackandien；
endif;
Eint<=intand(noti_ack_r_;endprocess;命令碼
4EDA綜合結(jié)果與結(jié)論
使用XilinxISE6.1對I2C核的VHDL描述進(jìn)行綜合（synthesize）和實現(xiàn)（implement），目標(biāo)器件采用Xilinx公司的高密度系統(tǒng)級FPGA-Virtex系列芯片v50cs144-6。設(shè)計的總體等效門數(shù)為1844門，系統(tǒng)時鐘的最大頻率為120.758MHz。圖5為使用ModelsimXE5.6a對在目標(biāo)器件上布局布線后的VHDL模塊進(jìn)行仿真（SimulatePost-Place&RouteVHDLModule）的結(jié)果。其中，edat信號上“10010000”中的“1”依次是啟動和寫命令；“01100001”中的“1”依次是停止、讀、中斷清除命令。從圖中可以看出，實現(xiàn)了從TMS320C6000EMIF接口到I2C總線接口的轉(zhuǎn)換功能，并實現(xiàn)發(fā)中斷申請（eint=1）和清除中斷申請的功能，完成了I2C總線通信協(xié)議的啟動、寫、確認(rèn)，讀、確認(rèn)、停止操作的時序。
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