Core I2C的原理及采用FPGA技术实现I2C IP核的设计

I2C（Inter Integrated Circuit）双向二线制串行总线，是由飞利浦公司制定的。I2C总线是一个多主机的总线，使用串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）在总线上传递信息。每个器件都有一个唯一的识别地址，而且都可以作为一个发送器或接收器。当连接在I2C总线上的多个主机器件同时传输数据时，通过仲裁来避免冲突。SDA和SCL都是双向线路，通过一个电流源或上拉电阻连接到电源。器件输出级必须是漏极开路或集电极开路，当总线空闲时，两条线路处于高电平，执行线与的功能。

Actel公司免费提供I2C IP核——Core I2C。Core I2C是基于APB总线形式的，它的优点是可以连接到Core 8051或者是Cortex M1处理器上，方便用户进行SoC设计，本文将主要介绍Core I2C的原理与应用。

1. Core I2C介绍

（1）I2C协议简介

I2C总线协议定义如下：只有在总线处于“非忙”状态时，才能开始数据传输。在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定，否则数据线上的任何变化都被当作“启动”或“停止”信号。图1所示为总线状态的定义。

I2C总线的工作方式为：当SCL为高电平时，如果检测到SDA的下降沿，则启动数据的传输;在数据传输时，只要SCL为高电平时，SDA数据必须保持稳定，SDA数据可以在SCL的低电平时发生变化;当SCL为高电平时，如果检测到SDA的上升沿，则停止数据的传输。

（2）Core I2C内部结构

Core I2C的内部结构框图如图2所示。它主要由串行时钟发生器、地址寄存器、控制寄存器、状态寄存器和APB总线接口等组成的。

● 串行时钟发生器模块：提供SCL时钟脉冲。

● 地址寄存器模块：包含了内核编程的地址信息。

● 控制寄存器模块：控制串行传输的启动、重启、终止、位速率、地址识别和应答等功能。

● 状态寄存器模块：包含了Core I2C内部寄存器工作的状态信息。

● APB总线接口：提供了I2C和APB总线通信的接口。

（3）Core I2C内部寄存器

Core I2C的寄存器的地址映射如表 1所示。

● 控制寄存器——I2C_CTRL

Bit7：串行时钟位2，和第0位、第1位一起决定分频系数。

Bit6：I2C使能位，1表示I2C被使能，否则被禁止。

Bit5：起始标志位，1表示起始标志位有效，总线在空闲时将会产生一个起始状态位。

Bit4：停止标志位，1表示停止标志位有效，总线将会产生一个停止状态位。

Bit3：串行中断标志位，在状态寄存器的值被更新以后，这位必须被清零。

Bit2：主/从机设置位，1表示工作在从机模式，0表示工作在主机模式。

Bit1：串行时钟位1，和第7位、第0位一起决定分频系数。

Bit0：串行时钟位0，和第7位、第一位一起决定分频系数。

Core I2C时钟频率的定义如表 2所示。

● 状态寄存器——I2C_STA

状态寄存器取出所有内部状态位并将它们压缩成一个5位的代码，该代码与每个I2C总线状态位一一对应，5位代码可用于产生向量地址，以便快速处理不同的服务程序，每个服务程序处理一个特定的总线状态。如果I2C模块的所有模式都被使用，则有26种可能的总线状态。

● 数据寄存器——I2C_DAT

数据寄存器包含要发送或刚接收的数据，当它没有处理字节的移位时，APB控制器可以对其进行读写。

● 地址寄存器——I2C_ADDR

Bit7～Bit1：自身从机地址。

Bit0：通用调用位，该位设置为1，通用调用地址有效，否则无效。

（4）Core I2C的基本操作

Core I2C可以配置成主机或从机，总线时钟速率可调整，最高可支持400kb/s的总线传输速率。使用I2C总线时，在总线上要连接两个上拉电阻，阻值为1~10k欧姆。

● 主机发送模式

主机发送模式的数据发送格式如图 3所示。先发送起始条件，然后发送从机地址和写方向位，这时从机会产生一个应答，主机在接收到应答位后，依次发送n个数据，每个数据发送后，从机都会产生一个应答位，发送完n个数据后，主机发送停止位。

● 主机接收模式

主机接收模式的数据接收格式如图4所示。主机先发送起始条件，然后发送从机地址和读方向位，这时从机会产生一个应答，主机在接收到应答位后，依次读出n个数据，主机在接收到每个数据后，都会产生一个应答位，接收完数据后，主机发送停止位。

（5）应用场合

I2C协议主要应用于对串行设备的控制，如各种串行的存储器等。图5所示为使用I2C接口控制EEPROM。

2.小结

本文主要介绍了Actel FPGA的Core I2C IP核，除了Core I2C，Actel公司还提供了UART、SPI、PWM、Timer等IP核，请关注周立功公司的网站获得更多的信息。我们有着一个接近30人的FPGA团队提供强有力的售后服务，解决用户在产品使用和研发过程中遇到的困难。若有更多的需求可以与我们联系，我们将会竭诚为您服务，并能关注下期的FPGA专题技术讲座。