基于Verilog HDL的IIC總線IP核設(shè)計

朱誠誠，石晶晶，陳 斯，張 萌

（1.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189；2.東南大學(xué)國家ASIC中心，南京 210096）

IIC總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種實用、雙向、同步串行通信標(biāo)準(zhǔn)［1-2］，目的在于解決各個串行設(shè)備間的通信，具有接口線數(shù)目少、通信效率高等優(yōu)點。通用的IIC總線接口器件在視頻處理、移動通信等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。除此之外，IIC總線接口器件，如帶IIC總線RAM，ROM，A/D，D/A等，也越來越多地應(yīng)用于計算機及自動化控制系統(tǒng)中。

設(shè)計的IIC總線IP核僅需要兩條總線線路，一條串行數(shù)據(jù)總線SDA，一條串行時鐘總線SCL。連接到相同總線的IC數(shù)量只受總線的最大容量400 pF限制，是一種多主機總線［3］。串行8 bit雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率，在標(biāo)準(zhǔn)模式之下可達到100 kbit/s，快速模式之下可達400 kbit/s，高速模式下可達到3.4 Mbit/s。從設(shè)計IIC總線的頂層模塊開始，在實現(xiàn)IIC總線傳輸?shù)娜抗δ苤?，將IIC總線模塊以固核的形式封裝?；谒O(shè)計的IIC總線IP核，只需將外部PAD引線端與IP核接口相連就可以很便捷地進行IIC通信。

采用硬件描述語言（HDL）［4-5］進行IP核設(shè)計，硬件描述語言是一種形式化方法來描述數(shù)字電路和設(shè)計數(shù)字邏輯系統(tǒng)的語言，它是硬件設(shè)計人員與EDA工具之間溝通的橋梁，用來編寫設(shè)計文件，建立電子系統(tǒng)行為級的模擬類型。之所以選擇Veril?og HDL，是因為Verilog HDL更加簡潔明了，靈活高效，完成同一功能Verilog HDL的程序條數(shù)一般只為VHDL的1/3。此外，Verilog HDL在底層描述，即開關(guān)級描述方面比VHDL功能更強。

此外，在Xilinx ISE V13.4設(shè)計平臺上進行IIC總線IP核的設(shè)計，設(shè)計更加便利化。

1 IIC總線的IP核設(shè)計

1.1 IIC總線的接口設(shè)計

IIC總線接口主要包括以下4大單元，其框圖如圖1所示，圖中SDA為串行數(shù)據(jù)線，SCL為串行時鐘線，Data為傳輸數(shù)據(jù)，CLK為處理器時鐘頻率。

分頻器 由FPGA的鎖相環(huán)輸出的穩(wěn)定時鐘信號，由于頻率很高，所以必須經(jīng)過分頻模塊從而輸出滿足IIC總線要求的傳輸速率。

IIC總線接口控制時序邏輯塊 IIC總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃袝r序控制邏輯都由它產(chǎn)生，是這個IIC模塊的核心。

數(shù)據(jù)鎖存器 根據(jù)讀寫使能信號（r/w）存儲IIC己接收的或待發(fā)送的數(shù)據(jù)。

移位寄存器 在時序控制邏輯模塊的控制下，根據(jù)讀寫使能信號（r/w）對數(shù)據(jù)進行正確地處理。

圖1 IIC總線接口框圖

1.2 讀寫功能的實現(xiàn)

寫操作［6-7］過程：

①主端向總線發(fā)送一個開始信號；

②主端向總線發(fā)出需要寫數(shù)據(jù)器件的器件地址以及寫信號并等待器件產(chǎn)生應(yīng)答信號；

③主端向總線發(fā)送所要寫的存儲地址并等待設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)答信號；

④主端向總線發(fā)送所要寫的數(shù)據(jù)；

⑤等待器件產(chǎn)生應(yīng)答信號，主端向總線發(fā)送結(jié)束信號，完成一個字節(jié)的寫過程。

IIC總線寫操作的功能是將數(shù)據(jù)寫入到總線上，即將并行數(shù)據(jù)裝換為串行數(shù)據(jù)。

讀操作過程：

①主端向總線發(fā)送開始信號；

②主端向總線發(fā)送要讀數(shù)據(jù)器件地址以及寫信號并等待器件產(chǎn)生應(yīng)答信號；

③主端向總線發(fā)送所要讀數(shù)據(jù)的地址并等待產(chǎn)生應(yīng)答信號；

④主端向總線發(fā)送開始信號和所需讀數(shù)據(jù)器件的器件地址以及讀信號并等待器件產(chǎn)生應(yīng)答信號；

⑤主端按從高到低位的順序接收總線上的數(shù)據(jù)；

⑥產(chǎn)生停止信號結(jié)束數(shù)據(jù)的讀取。

IIC總線的讀操作的功能是讀取總線上的串行數(shù)據(jù)，即將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。

1.3 IP核設(shè)計

設(shè)計的IIC總線的單主IP核，能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫操作及連續(xù)地址的讀或?qū)懖僮鳎▓D2），由于它是單主模式，故總線沒有競爭與仲裁。

圖2 IIC總線IP核簡圖

IP（Intellectual Property），即知識產(chǎn)權(quán)。它是一段硬件描述語言程序，具有特定電路功能，是指可用來生成 ASIC（Application Specific Integrated Cir?cuit）和PLD的邏輯功能塊，且該程序與集成電路工藝無關(guān)，它可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝所生產(chǎn)的集成電路芯片。本文設(shè)計的IP核中，rst_n為復(fù)位信號，當(dāng)rst_n為低電平時，IIC總線處于空閑狀態(tài)，此時無數(shù)據(jù)的傳輸；syn_sign為同步信號，當(dāng)syn_sign為高電平時，IIC總線可以進行數(shù)據(jù)的傳輸，否則，IIC總線處于空閑狀態(tài)；Byte_Write為寫信號，當(dāng)其為低電平時，IIC總線可以進行寫操作；Byte_Red為低電平時，IIC總線可以進行讀操作；Page_Write為低電平時，IIC總線可以進行連寫操作；Page_Red為低電平時，IIC總線可以進行連讀操作。

1.4 IIC總線狀態(tài)機轉(zhuǎn)換

由IIC總線傳輸協(xié)議可知，IIC在傳輸過程中存在著幾個固定的狀態(tài)［8］，因此采用同步狀態(tài)機來設(shè)計IIC模塊。主狀態(tài)機從的大的方面共有5個狀態(tài)：空閑，開始，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，停止。

所設(shè)計的總線狀態(tài)機轉(zhuǎn)移圖如圖3示。

圖3 狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換示意圖

當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，IIC總線處于空閑狀態(tài)（Idle），IIC總線在起始信號（Start）的觸發(fā)下，開始進行數(shù)據(jù)的傳輸。首先，總線接受器件地址，在得到應(yīng)答信號（Ack）后，傳輸數(shù)據(jù)存儲地址，在接到應(yīng)答信號后，開始傳輸數(shù)據(jù)（Data）。若無連寫（W_page）、連讀（R_page）信號的輸入，總線在讀寫后將會處于空閑狀態(tài)，并等待下一次起始信號。

基于這種狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換，總線按照設(shè)計者的要求進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 仿真和實現(xiàn)

采用自上而下的流程對IIC總線主模塊進行設(shè)計，對所有模塊用Verilog HDL語言進行描述，在ISE V13.4和Basys2設(shè)計平臺上進行仿真與硬件驗證。ISE V13.4是Xilinx公司的FPGA集成開發(fā)環(huán)境，不僅包括邏輯設(shè)計所需的一切，還具有大量簡便易用的內(nèi)置式工具和向?qū)В沟肐/O分配、功耗分析，HDL仿真等步驟變得簡單而直觀。圍繞著Xilinx Spartan-3E現(xiàn)場可編程門陣列，Basys2板提供完整的、隨時可用的硬件適合電路實現(xiàn)從基本邏輯器件到復(fù)雜的控制器。擁有一系列板上I/O設(shè)備和所有需要支持的FPGA電路，可以創(chuàng)造無數(shù)無需任何其他元件的設(shè)計。

2.1 仿真檢測

首先，將寫操作信號Byte_write置0，主端檢測到寫信號后，開始寫操作，在往總線上寫入器件地址并接收應(yīng)答信號后，主端向總線寫入數(shù)據(jù)01 001 110，圖4為寫操作仿真圖。

通過仿真波形，我們從模塊正確寫入一個字節(jié)01 001 110。

將讀操作信號Byte_read置0，主端檢測到讀信號后，開始讀操作，在完成偽寫操作后，主端從總線讀出數(shù)據(jù)01 100 101。

通過仿真波形可以看出，我們可以從總線讀出一個字節(jié)01 100 101。

仿真結(jié)果與理論結(jié)果相一致，數(shù)據(jù)傳輸速率達到100 kbit/s，快速模式下可達到400 kbit/s，高速模式3.4 Mbit/s。

圖4 寫操作仿真

圖5 讀操作仿真

2.2 硬件測試

仿真完成后，在ISE13.4設(shè)計平臺上進行綜合布線，并采用Basys2中進行硬件測試，將復(fù)位信號置0，同步信號置1，寫信號置0，將主端寫入的總線數(shù)據(jù)通過Basys2的LED燈進行顯示，圖6為寫操作。

通過LED顯示，我們成功向總線寫入一個字節(jié)0 100 1110。

將復(fù)位信號置0，同步信號置1，讀信號置0。

并將從總線上讀出的數(shù)據(jù)通過Basys2的LED燈進行顯示，圖7為讀操作。

圖6 硬件寫操作

圖7 硬件讀操作

通過LED顯示，我們成功讀出總線上一個字節(jié)01 100 101。

仿真、硬件檢測結(jié)果與IIC總線傳輸數(shù)據(jù)的預(yù)期結(jié)果相一致，從而說明了我們IIC總線設(shè)計的成功。最后，在ISE設(shè)計平臺上將IIC總線模塊進行封裝，形成只有接口的IP固核。

3 結(jié)束語

采用Verilog HDL語言設(shè)計了一個IIC總線的單主模式的IP核，給出了一種模塊化和層次化的完整設(shè)計方法。該IP核具有通用的接口和簡單的操作時序，并且全部設(shè)計由Verilog HDL語言實現(xiàn)。無需代碼修改就可以在片上系統(tǒng)的接口設(shè)計中使用，實現(xiàn)對IIC總線的支持，具有良好的移植性。

與近期的同類IIC總線IP核設(shè)計相比較，有別于Altera的Quartus II平臺的設(shè)計，在Xilinx ISE V13.4設(shè)計平臺上進行IP核的設(shè)計。ISE V13.4提供了便捷地IP核設(shè)計環(huán)境及仿真環(huán)境，進而使得設(shè)計便利化。此外，ISE為Xilinx公司的開發(fā)環(huán)境，Xilinx的產(chǎn)品市場占有率更高，因此，在ISE平臺上設(shè)計使得所完成的產(chǎn)品更具實用性。

設(shè)計的IP核既體現(xiàn)了良好的可移植性，又體現(xiàn)了芯片設(shè)計的模塊化思想。利用成熟的IP核進行新產(chǎn)品的開發(fā)可大大縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品的可靠性，為新產(chǎn)品贏得市場契機。

［1］張延偉，楊金巖，葛愛學(xué),等.Verilog HDL程序設(shè)計實例詳解［M］.人民郵電出版社，2008：132-160.

［2］Philips Semiconductors.The IIC-Bus Specification［M］Version 2.1，2001：6-19.

［3］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程［M］.2版.北京：高等教育出版社，6.1，2008：13-18.

［4］劉欲曉，方強，黃宛寧,等.EDA技術(shù)與VHDL電路開發(fā)應(yīng)用實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：221-240.

［5］張延偉，楊金巖，葛愛學(xué)等.Verilog HDL程序設(shè)計實例詳解［M］.人民郵電出版社，2008：132-160.

［6］趙輝.IIC總線技術(shù)及其應(yīng)用實例［J］.微型電腦應(yīng)用，2005，21（4）：61.

［7］劉福奇，劉波.Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計實例精講［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：434-444.

［8］陳旭.FPGA技術(shù)發(fā)展研究［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2006，（4）：1-3.

朱誠誠（1992-），男，漢族，安徽淮南人，本科生，就讀于東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，ccz2498466@163.com；

張 萌（1964-），男，漢族，研究員，東南大學(xué)ASIC中心，主要從事數(shù)字信號處理，集成電路設(shè)計，通信系統(tǒng)等，zmeng@seu.edu.cn。