一文解讀IIC總線的FPGA實(shí)現(xiàn)原理及過(guò)程

IIC總線概述

IIC開(kāi)發(fā)于1982年，當(dāng)時(shí)是為了給電視機(jī)內(nèi)的CPU和外圍芯片提供更簡(jiǎn)易的互連方式。電視機(jī)是最早的嵌入式系統(tǒng)之一，而最初的嵌入系統(tǒng)是使用內(nèi)存映射(memory-mappedI/O)的方式來(lái)互連微控制器和外圍設(shè)備的。要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射，設(shè)備必須并行連入微控制器的數(shù)據(jù)線和地址線，這種方式在連接多個(gè)外設(shè)時(shí)需大量線路和額外地址解碼芯片，很不方便并且成本高。

為了節(jié)省微控制器的引腳和和額外的邏輯芯片，使印刷電路板更簡(jiǎn)單，成本更低，位于荷蘭的Philips實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了IIC(Inter-IntegratedCircuit)，它是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兩根線構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送

IIC數(shù)據(jù)傳輸速率有標(biāo)準(zhǔn)模式(100kbps)、快速模式(400kbps)和高速模式(3.4Mbps)，另外一些變種實(shí)現(xiàn)了低速模式(10kbps)和快速+模式(1Mbps)

IIC總線硬件結(jié)構(gòu)

IIC即I2C，是一種總線結(jié)構(gòu)。

每一個(gè)I2C總線器件內(nèi)部的SDA、SCL引腳電路結(jié)構(gòu)都是一樣的，引腳的輸出驅(qū)動(dòng)與輸入緩沖連在一起。其中輸出為漏極開(kāi)路的場(chǎng)效應(yīng)管、輸入緩沖為一只高輸入阻抗的同相器。這種電路具有兩個(gè)特點(diǎn)：

由于SDA、SCL為漏極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，借助于外部的上拉電阻實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的“線與”邏輯;

引腳在輸出信號(hào)的同時(shí)還能對(duì)引腳上的電平進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否與剛才輸出一致。為“時(shí)鐘同步”和“總線仲裁”提供硬件基礎(chǔ)。

IIC總線典型應(yīng)用

IIC設(shè)備典型應(yīng)用：

物理結(jié)構(gòu)上，IIC系統(tǒng)由一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時(shí)鐘線SCL組成。主機(jī)按一定的通信協(xié)議向從機(jī)尋址和進(jìn)行信息傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由主機(jī)初始化一次數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)使數(shù)據(jù)在SDA線上傳輸?shù)耐瑫r(shí)還通過(guò)SCL線傳輸時(shí)鐘。信息傳輸?shù)膶?duì)象和方向以及信息傳輸?shù)拈_(kāi)始和終止均由主機(jī)決定。

每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，而且可以是單接收的器件(例如：LCD驅(qū)動(dòng)器)或者可以接收也可以發(fā)送的器件(例如：存儲(chǔ)器)。發(fā)送器或接收器可以在主模式或從模式下操作，這取決于芯片是否必須啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸還是僅僅被尋址。

IIC總線的FPGA實(shí)現(xiàn)原理及過(guò)程

一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

軟件平臺(tái)：ModelSim-Altera 6.4a (Quartus II 9.0)

硬件平臺(tái)：DIY_DE2

二、實(shí)驗(yàn)原理

1、IIC總線器件工作原理

在IIC總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在SCL時(shí)鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。SCL線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器件，一旦某個(gè)器件的時(shí)鐘信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，將使SCL線上所有器件開(kāi)始并保護(hù)低電平期。此時(shí)，低電平周期短的器件的時(shí)鐘由低至高的跳變并不影響SCL線的狀態(tài)，這些器件將進(jìn)入高電平等待的狀態(tài)。

當(dāng)所有器件的時(shí)鐘信號(hào)都變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，低電平期結(jié)束，SCL線被釋放返回高電平，即所有的器件都同時(shí)開(kāi)始它們的高電平期。其后，第一個(gè)結(jié)束高電平期的器件又將SCL線拉成低電平。這樣就在SCL線上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)鐘?？梢?jiàn)，時(shí)鐘低電平時(shí)間由時(shí)鐘低電平期最長(zhǎng)的器件決定，而時(shí)鐘高電平時(shí)間由時(shí)鐘高電平期最短的器件決定。

IIC總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100kbit/s 在快速模式下可達(dá)400kbit/s 在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s ，連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是400pF 的限制決定。

2、IIC總線的傳輸協(xié)議與數(shù)據(jù)傳送時(shí)序

(1)起始和停止條件

在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，必須確認(rèn)數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始和結(jié)束。在IIC總線技術(shù)規(guī)范中，開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)(也稱(chēng)啟動(dòng)和停止信號(hào))的定義如圖1所示。

圖1起始和停止信號(hào)圖

開(kāi)始信號(hào)：當(dāng)時(shí)鐘總線SCL為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。

結(jié)束信號(hào)：當(dāng)SCL線為高電平時(shí)，SDA線從低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。

開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)都是由主器件產(chǎn)生。在開(kāi)始信號(hào)以后，總線即被認(rèn)為處于忙狀態(tài)，其它器件不能再產(chǎn)生開(kāi)始信號(hào)。主器件在結(jié)束信號(hào)以后退出主器件角色，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間過(guò)，總線被認(rèn)為是空閑的。

(2)數(shù)據(jù)格式

IIC總線數(shù)據(jù)傳送采用時(shí)鐘脈沖逐位串行傳送方式，在SCL的低電平期間，SDA線上高、低電平能變化，在高電平期間，SDA上數(shù)據(jù)必須保護(hù)穩(wěn)定，以便接收器采樣接收，時(shí)序如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳送時(shí)序圖

IIC總線發(fā)送器送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位長(zhǎng)，傳送時(shí)高位在前，低位在后。與之對(duì)應(yīng)，主器件在SCL線上產(chǎn)生8個(gè)脈沖;第9個(gè)脈沖低電平期間，發(fā)送器釋放SDA線，接收器把SDA線拉低，以給出一個(gè)接收確認(rèn)位;第9個(gè)脈沖高電平期間，發(fā)送器收到這個(gè)確認(rèn)位然后開(kāi)始下一字節(jié)的傳送，下一個(gè)字節(jié)的第一個(gè)脈沖低電平期間接收器釋放SDA。每個(gè)字節(jié)需要9個(gè)脈沖，每次傳送的字節(jié)數(shù)是不受限制的。

IIC總線的數(shù)據(jù)傳送格式是在IIC總線開(kāi)始信號(hào)后，送出的第一字節(jié)數(shù)據(jù)是用來(lái)選擇從器件地址的，其中前7位為地址碼，第8位為方向位(R/W)。方向位為“0”表示發(fā)送，即主器件把信息寫(xiě)到所選擇的從器件中;方向位為“1”表示主器件將從從器件讀信息。格式如下：

開(kāi)始信號(hào)后，系統(tǒng)中的各個(gè)器件將自己的地址和主器件送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果與主器件發(fā)送到總線上的地址一致，則該器件即被主器件尋址的器件，其接收信息還是發(fā)送信息則由第8位(R/W)決定。發(fā)送完第一個(gè)字節(jié)后再開(kāi)始發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)。

(3)響應(yīng)

數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)。相關(guān)的響應(yīng)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生，當(dāng)主器件發(fā)送完一字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接著發(fā)出對(duì)應(yīng)于SCL線上的一個(gè)時(shí)鐘(ACK)認(rèn)可位，此時(shí)鐘內(nèi)主器件釋放SDA線，一字節(jié)傳送結(jié)束，而從器件的響應(yīng)信號(hào)將SDA線拉成低電平，使SDA在該時(shí)鐘的高電平期間為穩(wěn)定的低電平。從器件的響應(yīng)信號(hào)結(jié)束后，SDA線返回高電平，進(jìn)入下一個(gè)傳送周期。

通常被尋址的接收器在接收到的每個(gè)字節(jié)后必須產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)。當(dāng)從機(jī)不能響應(yīng)從機(jī)地址時(shí)，從機(jī)必須使數(shù)據(jù)線保持高電平，主機(jī)然后產(chǎn)生一個(gè)停止條件終止傳輸或者產(chǎn)生重復(fù)起始條件開(kāi)始新的傳輸。如果從機(jī)接收器響應(yīng)了從機(jī)地址但是在傳輸了一段時(shí)間后不能接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)，主機(jī)必須再一次終止傳輸。這個(gè)情況用從機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后沒(méi)有產(chǎn)生響應(yīng)來(lái)表示。從機(jī)使數(shù)據(jù)線保持高電平主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。完整的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程如圖3所示。

圖3 完整的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

另外，IIC總線還具有廣播呼叫地址用于尋址總線上所有器件的功能。若一個(gè)器件不需要廣播呼叫尋址中所提供的任何數(shù)據(jù)，則可以忽咯該地址不作響應(yīng)。如果該器件需要廣播呼叫尋址中按需提供的數(shù)據(jù)，則應(yīng)對(duì)地址作出響應(yīng)，其表現(xiàn)為一個(gè)接收器。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)DE2_TV中的IIC部分進(jìn)行modelsim仿真。

1、IIC所需時(shí)鐘的仿真

FPGA作為IIC器件的主機(jī)，要產(chǎn)生IIC的工作時(shí)鐘，下面先對(duì)IIC所需的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行仿真。

待仿真的時(shí)鐘信號(hào)程序如下：

module I2C_Clock

(

iCLK，

iRST_N，

mI2C_CTRL_CLK，

mI2C_CLK_DIV，

mI2C_CLKO

);

input iCLK;

input iRST_N;

output mI2C_CTRL_CLK;

output mI2C_CLK_DIV;

output mI2C_CLKO;

reg mI2C_CTRL_CLK;

reg [15:0] mI2C_CLK_DIV;

reg mI2C_CLKO;

// Clock SetTIng

parameter CLK_Freq = 50000000; //??? 50 MHz

parameter I2C_Freq = 80000; //??? 40 KHz 25Us

parameter I2C_Thd = 200000; //??? 5Us 200 KHz

always@(posedge iCLK or negedge iRST_N)

begin

// 5000 TImes divide frequence of iCLK

if (!iRST_N)

begin

mI2C_CLK_DIV 《= 0;

mI2C_CLKO 《= 0;

mI2C_CTRL_CLK 《= 0;

end

else if( mI2C_CLK_DIV 《 (CLK_Freq/I2C_Freq))

begin

mI2C_CLK_DIV 《= mI2C_CLK_DIV+1;

if ((!mI2C_CTRL_CLK)&(mI2C_CLK_DIV 《 ((CLK_Freq/I2C_Freq)- (CLK_Freq/I2C_Thd))) )

mI2C_CLKO 《= 0;

else

mI2C_CLKO 《= 1;

end

else

begin

mI2C_CLK_DIV 《= 0;

mI2C_CTRL_CLK 《= ~mI2C_CTRL_CLK;

end

end

endmodule

testbench程序如下：

module I2C_Clock_tb ;

//parameter I2C_Thd = 200000 ;

//parameter I2C_Freq = 80000 ;

//parameter CLK_Freq = 50000000 ;

wire mI2C_CTRL_CLK ;

wire [15:0] mI2C_CLK_DIV ;

wire mI2C_CLKO ;

reg iRST_N ;

reg iCLK ;

I2C_Clock //#( I2C_Thd ， I2C_Freq ， CLK_Freq )

DUT (

.mI2C_CTRL_CLK (mI2C_CTRL_CLK ) ，

.mI2C_CLK_DIV (mI2C_CLK_DIV ) ，

.mI2C_CLKO (mI2C_CLKO ) ，

.iRST_N (iRST_N ) ，

.iCLK (iCLK ) );

iniTIal

begin

iRST_N = 0;

iCLK = 0;

#50

iRST_N = 1;

end

always

begin

#50 iCLK = ~iCLK;

end

endmodule

modelsim仿真的波形如下：

圖4 IIC內(nèi)部時(shí)鐘仿真圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算，IIC內(nèi)部所用的時(shí)鐘頻率為40KHz。

2、IIC整體仿真

相關(guān)程序在附件中。下面是仿真波形。

圖5 IIC整體仿真波形圖

結(jié)合上述仿真波形圖和程序可以看出：

起始位：SCLK為高電平時(shí)，SDAT由高到低，指示IIC總線傳輸數(shù)據(jù)的開(kāi)始;

之后，傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即4A，為從機(jī)的地址，隨后，跟了一個(gè)高電平，為應(yīng)答位;

之后，傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即01，為從機(jī)地址的子地址，隨后，跟了一個(gè)高電平，為應(yīng)答位;

之后，傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，即08，為上面子地址寄存器配置的數(shù)據(jù)，隨后，跟了一個(gè)高電平，為應(yīng)答位;

最后，為停止位，SCLK為高電平時(shí)，SDAT由低到高，指示該次IIC總線傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)束。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)傳送完一個(gè)字節(jié)后，SDAT為一個(gè)脈沖的高電平，而不是從器件先將SDAT拉低再拉高，這樣也是可以的。