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I2C器件接口IP核的CPLD設計
摘要：根據單片機I2C串行擴展的特點，在EDA軟件MaxplusII的環(huán)境下，利用AHDL語言，建立IP核。此設計利用狀態(tài)機實現，在給出設計的同時詳細說明IP核的建立過程，并下載到芯片通過硬件試驗驗證。關鍵詞：可編程邏輯器件 I2C串行擴展 IP核
由于CPLD數字設計結構化的趨勢，將出現針對CPLD不同層次的IP(Intellectual Property)核。各個IP核可重復利用，可大大提高設計能力和效率。國外各大公司都推出了專門的IP核，我國也迫切需要發(fā)展自己的IP核。本文針對I2C的主方式串行擴展通信的特點，詳細給出設計過程和結果。
1 IP核簡介
IP核是指：將一些在數字電路中常用但比較復雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等等設計成可修改參數的模塊，讓其它用戶可以直接調用這些模塊，以避免重復勞動。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設計越來越復雜，使用IP核是一個發(fā)展趨勢。許多公司推薦使用現成的或經過測試的宏功能模塊、IP核，用來增強已有的HDL的設計方法。當在進行復雜系統(tǒng)設計的時侯，這些宏功能模塊、IP核無疑將大大地減少設計風險及縮短開發(fā)周期。使用這些宏功能模塊、IP核，就會將更多的時間和精力放在改善及提高系統(tǒng)級的產品方面，而不需要重新開發(fā)現成的宏功能模塊、IP核。我國IP核庫的建設已相當迫切，它是集成電路產業(yè)發(fā)展的一個重要目標。
圖1 I2C傳輸原理圖
2 I2C串行通信特點簡介
Philips公司推出的I2C軟、硬件協(xié)議十分巧妙，在單主方式的I2C總線系統(tǒng)中，總線上只有一個單片機，其余都是帶I2C總線的外圍器件。由于總線上只有一個單片機成為主節(jié)點，單片系統(tǒng)永遠占據了總線，不會出現競爭，主節(jié)點不必有自己的節(jié)點地址。只要每個外圍器件有自己的器件地址，兩根I/O口線SCL(時鐘線)和SDA(數據線)就可以虛擬I2C總線接口。I2C總線上的數據傳送如圖 1所示�？偩�上傳送的每一幀數據均為1個字節(jié)。啟動總線后，要求每傳送1個字節(jié)后，對方回應一個應答位。在發(fā)送時，首先發(fā)送最高位。每次傳送開始有起始信號，結束時有停止信號。在總線傳送完1個字節(jié)后，可以通過對時鐘線的控制，使傳送暫停，這時可在應答信號后使SCL變低電平，控制總線暫停。 當主節(jié)點要求總線暫停時亦可采用同樣的方法。圖1是CPLD向外圍I2C器件發(fā)送01010011 和01001001這兩個數據的情況。
3 在MaxplusII環(huán)境下I2C串行擴展IP核的建立
MaxplusII是美國Altera公司用于CPLD的EDA軟件，(范文先生網m.panasonaic.com收集整理)內部有許多常用的宏單元，如計數器、四則運算、各類邏輯門乃至ROM、RAM等。這些宏單元內具體的參數都可以由用戶來自行設定，這就是上面提到的IP核形式。它避免了重復勞動，提高了效率。以下將要設計的是下位機的IP核。
MaxplusII的AHDL（Altera Hard ware Description Language）是Altera公司開發(fā)的完全集成于MaxplusII中的一種模塊化高級語言，特別適合于描述復雜的組合邏輯、組運算、狀態(tài)機和真值表。本文利用AHDL，直接生成IP核。
設計的最終目標是生成如圖 2所示的Symbol。通過輸入數據來達到控制SDA和SCL的目的，將信號按要求的時序傳送給I2C器件。
設計思路是利用狀態(tài)機實現時序。主要包括輸入數據鎖存、起始、數據傳輸、停止等狀態(tài)機。通過狀態(tài)機，在每一狀態(tài)下確定下一狀態(tài)SDA和SCL是高電平或者低電平，通過這種方式實現了I2C所需要的每一種時序。由于使用的是AHDL，這種狀態(tài)機實現起來非常方便，程序簡潔明了。由于篇幅限制，僅介紹數據傳輸的狀態(tài)機。狀態(tài)圖如圖3所示。
以下程序中，Cmd_reg2為發(fā)送允許暫存位；Sh_reg[]為數據鎖存，通過左移，最高位數據Sh_reg7為當前將發(fā)送數據，存入SDA_tmp 。通過圖 3對照程序，可以看到發(fā)送一個利用狀態(tài)機數據位的詳細過程。程序清單如下：
IF Cmd_reg2 THEN --若"發(fā)送允許"，則將Sh_reg7作為當前發(fā)送位
SDA_tmp = Sh_reg7;
ELSE
SDA_tmp = VCC;
END IF;
St.clk = SysClk;
St.ena = BaudGen;
CASE St IS --控制傳輸8位數據的狀態(tài)機
WHEN t0 =>
IF Cmd_reg2 OR Cmd_reg3 THEN
SDA = SDA_tmp; --開始傳送數據
SCL = GND;
St = t1;
ELSE
St = t0;
END IF;
WHEN t1 =>
SCL = VCC;
SDA = SDA_tmp;
St = t1a;
WHEN t1a =>
SCL = VCC;
SDA = SDA_tmp;
St = t2;
WHEN t2 =>
Sh_reg[7..1] = Sh_reg[6..0]; --數據左移，取高位
Sh_reg[0] = GND;
Sh_reg[].ena = EXU;
SCL = GND;
SDA = SDA_tmp;
IF Bit[] == 7 THEN --若8位傳完，則發(fā)應答位；否則繼續(xù)
St = t3;
ELSE
St = t0;
END IF;
WHEN t3 => --發(fā)應答位
SDA =GND;
St = t4;
WHEN t4 =>
SDA = GND;
SCL = VCC;
St = t4a;
WHEN t4a =>
SDA = GND;
SCL = VCC;
St = t5;
WHEN t5 =>
SCL = GND;
St = t6;
WHEN t6 =>
SDA = GND;
FINISHED = VCC;
St = t0;
END CASE;
Bit[] = Bit[] + 1; ――--傳輸完一位，已傳輸位數加一
圖 4為仿真結果。起始信號給出以后，傳輸2個8位數據：每個數據后跟一個應答位，在輸送完第一個數據要求的情況下，暫停一段時間，再輸送第二個數據；2個數據輸完以后，主機發(fā)出停止輸送要求，即給出停止信號。這些信號，在SDA和SCL上完全符合I2C的時序要求。要使總線傳輸速率達到改進后的規(guī)范，即400 kb/s，因為根據以上敘述，每發(fā)送1位數據需要4個時鐘周期，所以所給的時鐘為1600 kHz。圖4中Execute為執(zhí)行信號，即它為高電平時，輸入數據DIN[7..0]有效；EXU為發(fā)送使能信號，只有當它為高電平時，方可輸送串行數據到外圍器件；Start為開始控制信號，用于發(fā)生起始信號；STOP用于告知總線數據傳輸結束，發(fā)生停止信號。
圖4 仿真結果
仿真以后，通過編程電纜將生成的pof文件用ISP(在系統(tǒng)編程)方式下載到FPGA板EPM7128SLC84-6，I/O口SDA和SCL掛上拉電阻，外接兩片I2C器件SAA1064(LED顯示I2C串入并出芯片)進行測試，結果CPLD利用該I2C的IP核，工作正常，可以按照要求顯示。
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