I2C器件接口IP核的CPLD設計
摘要：根據(jù)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(xiàn)，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。由于CPLD數(shù)字設計結構化的趨勢，將出現(xiàn)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(shù)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(shù)的模塊，讓其它用戶可以直接調(diào)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(xiàn)成的或經(jīng)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(chǎn)品方面，而不需要重新開發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jù)了總線，不會出現(xiàn)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(shù)據(jù)線)就可以虛擬I2C總線接口。I2C總線上的數(shù)據(jù)傳送如圖 1所示。總線上傳送的每一幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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，
內(nèi)部有許多常用的宏單元，如計數(shù)器、四則運算、各類邏輯門乃至ROM、RAM等。這些宏單元內(nèi)具體的參數(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)時序。主要包括輸入數(shù)據(jù)鎖存、起始、數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)起來非常方便，程序簡潔明了。由于篇幅限制，僅介紹數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(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(shù)據(jù)鎖存，通過左移，最高位數(shù)據(jù)Sh_reg7為當前將發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的狀態(tài)機
WHEN t0 =
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