基於VHDL/CPLD的I2C串行總線控制器設計及實現

串行總線和並行總線相比具有結構簡單、佔用引腳少、成本低的優點。常見的串行總線有USB、IEEE1394、I2C等，其中I2C總線具有使用簡單的特點，在單片機、串行E2PROM、LCD等器件中具有廣泛的應用。

　　I2C(Inter IC BUS)是Philips公司開發的用於晶片之間連接的總線。 I2C總線用兩根信號線進行數據傳輸，一根為串行數據線(SDA)，另一根為串行時鐘線(SCL)。I2C總線允許若干兼容器件(如存儲器、A/D轉換器、D/A轉換器、LCD驅動器等)共享總線。I2C總線理論上可以允許的最大設備數，是以總線上所有器件的總電容(其中包括連線本身的電容和連接端的引出電容)不超過400pF為限，總線上所有器件依靠SDA線發送的地址信號尋址，不需要片選線。任何時刻總線只能由一個主器件控制，各從器件在總線空閒時啟動數據傳輸。I2C總線數據傳輸的標準模式速率為100kbps，快速模式速率為400kbps，高速模式速率為3.4Mbps。

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　　用VHDL和CPLD設計數字系統具有傳統方法無可比擬的優越性，它已經成為大規模集成電路設計最為有效的一種手段。為簡單起見，本文採用VHDL設計標準模式的I2C總線控制電路。

　　1 I2C總線上的數據傳輸

　　I2C總線包含時鐘線SCL和數據線SDA兩條連線，SCL由主機產生。I2C總線的數據傳輸流程如圖1所示。其傳輸過程為：首先主機產生起始位，然後傳送第一個字節。8位數據中首先傳送的是數據的最高位MSB，最低位LSB為讀寫指示位，1表示主機讀，0表示主機寫，高7位地址可使主機尋址128個從器件。

　　從機收到第一字節數據後發響應位，主機收到響應位後接著發送第二個字節的數據。數據發送完畢後產生結束位，數據傳送結束。數據傳送時，只有時鐘SCL為低電平時SDA才允許切換，SCL為高電平時SDA必須穩定，此時SDA的電平就是總線轉送的數值。

在SCL為高電平時，SDA線由高到低切換表示起始位，SDA線由低到高切換表示停止位。起始位和停止位由主機產生，在起始位產生後總線處於忙狀態，停止位出現並經過一定時間後總線進入空閒狀態。發送器每發送一個字節後，接收器必須產生一個響應位。響應位的驅動時鐘由主機產生則接收器將SDA線拉低產生響應位。如果主機是接收器，則接收最後一個字節時，響應位為1，通知從機結束髮送，否則響應位為0。當從機不能響應從機地址(例如它正在執行一些實時函數，不能接收或發送)時，或響應了從機地址但在傳輸一段時間後不能接收更多的數據字節，此時從機可以通過響應位為1通知主機終止當前的傳輸，於是主機產生一個停止位終止傳輸，或者產生重複開始位開始新的傳輸。

　　SDA線上傳送的數據必須為8位，每次傳送可以發送的字節數量不受限制。如果從機要完成一些其他功能(例如執行一個內部中斷服務程序)才能接收或發送下一個數據字節，則從機可以使SCL維持低電位，迫使主機進入等待狀態。從機準備好接收或發送下一個數據字節時，釋放SCL，數據傳輸繼續。

　　SDA和SCL都是雙向線路，使用時通過上拉電阻連接到電源。總線空閒時這兩條線路都是高電平，連接到總線的器件的輸出級必須是漏極開路或集電極開路，這樣總線才能執行「線與」的功能。