摘要： 从状态机的角度，介绍一种I2C控制核的VHDL设计方法。将其嵌入到FPGA中，用于实现与TMS320C6000系列DSP的接口，并配合DSP的软件完成对视频采集与显示处理系统中数字视频编、解码器工作模式寄存器的配置及其状态查询。着重介绍I2C控制核的总体设计方案，详细描述其内部命令状态机和时序状态机的工作原理及相应的VHDL代码。此外，介绍I2C控制核与DSP相互通信中断处理机制的VHDL实现方法。最后，给出在Xilinx公司的ISE6.1+ModelSimXE5.7c软件平台中进行EDA的综合结果与时序仿真图。
关键词： I2C总线 状态机FPGA VHDL DSP 控制器核
引言
I2C总线是双向、两线、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。由于其使用两线的硬件接口简单，I2C总线的应用越来越广泛。实现I2C总线通信协议主要有两种方法：①利用MCU对两根I/O口线进行软件编程，模拟I2C总线的SCL和SDA时序要求；②使用专用I2C总线控制核，但受其主机（host）接口方式和时钟频率的限制，在有些场合应用并不方便。
图1
在我们开发的基于DSP的视频采集与显示处理系统中，为了满足数字视频信号传输带宽及图像处理算法速度的要求，选择了TI公司的32位高速、高性能DSP TMS320C6711（简称C6711）芯片（CPU时钟150MHz，外围存储器接口EMIF时钟100MHz）作为处理核心；外围加上FPGA和数字视频编码器与解码器，实现对标准复合视频信号的采集、处理和视频显示任务。由于C6711没有可以单独控制的I/O口线，所以不能使用①的方法；由于外围扩展存储器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易实现②的方法，从系统小型化，充分利用FPGA的逻辑资源，提高硬件系统集成度的角度出发，选定在FPGA内自行设计I2C控制核的方法，实现DSP的高速异步存储器接口到I2C总线接口的转化。下面着重介绍如何使用VHDL进行I2C总线控制核设计。
1 总体思想
SCL和SDA分别为I2C总线的时钟线和数据线。目前，支持I2C总线通信协议的视频编、解码芯片大多只支持100Kb/s或400Kb/s的传输速度，并且支持两种地址：①从设备地址（SCLAVE ADDRESS，8bit），分为读地址和写地址，高7位用于选中芯片， 第0位是读/写控制位（R/W），决定是对该芯片进行读或写操作；②内部寄存器单元地址（SUBADRRESS，8bit），用于决定对内部的哪个寄存器单元进行操作，通常还支持地址单元连续的多字节顺序读写操作。I2C总线的读、写操作过程如下。
写过程（S：开始，Sr:重开始，P:停止，-S：从设备，-M：主设备，W：写位，R：读位）
| SLAVE ADDRESS(W) | ACK-S | SUBADDRESS | ACK-S | DATA(N BYTES) | ACK-S | P |
读过程
| S | SLAVE ADDRESS(W) | ACK-S | SUBADDRESS | ACK-S | |
| (Sr) | SLAVE ADDRESS(R) | ACK-S | DATA(N BYTES) | ACK-M | P |
I2C控制核的设计采用自顶而下的方法，分为三个模块：I2C_top模块、I2C_cmd模块、I2C_core模块。总体结构框图如图1所示。I2C_top模块是顶层管理模块，主要任务是接收DSP发来的控制信号、命令及数据；发送由从设备读出的数据和确认位到DSP；实现I2C控制核与DSP的中断通信机制；提供当前I2C控制核的工作状态；把DSP发出的命令字信号送到I2C_cmd模块。
在设计I2C控制核时，必须注意以下几个方面：
①I2C控制核与主机（Host，即C6711 DSP）以及视频编解码器的硬件接口连接关系。考虑到I2C总线通信协议的时序关系及芯片读/写操作过程，I2C控制核应该包括两个外围接口，如图1所示。一是与C6711 EMIF（External Memory Interface，扩展存储器接口）的高速异步存储器ASRAM（Asynchronous SRAM）接口，称为主机接口。它向I2C控制核发出控制命令与数据，钖0位地址总线、32位双向三态数据总线、异步输出使能信号aoe、异步写使能awe、异步读使能are、外部存储器空间选通ce2、外部中断申请eint。二是与视频编/解码器相连的I2C两线接口SCL、SDA。I2C控制核称为I2C总线的主设备（master），实现EMIF的ASRAM接口向I2C总线接口的转化；I2C器件（视频编码器、视频解码器）被称为I2CU叫线的从设备（slave）。
②如何通过软件编程，方便地实现对控制核中各种命令的操作。为此，在控制核内部共设备了6个8位寄存器，用于管理整个控制核的工作。这些寄存器的名称、标号、位数、地址、操作方式，以及寄存器内部设备的控制位及功能的具体情况如表1所列。寄存器内部设置的控制位及功能的具体情况如表1所列。寄存器的寻址使用EMIF接口地址总线的低三位eadd[4～2]和由高位地址译码得到的I2C控制核使能信号nce。当DSP发出的读、写命令完成后，I2C_top会向DSP发中断请求eint，让DSP发出下一个命令到CR，从RXR中读数，或进发送新数据到TXR。
表1 I2Ctop模块内部寄存器
| 寄存器 | 位 数 | 地 址 | 操 作 |
控制位及功能 |
| 控制寄存器CTR | 8 | 000 | 只写 | I2C控制核使能位（core-en），（中断使能位ien） |
| 命令寄存器CR | 8 | 001 | 只写 | 启动（start-r）、读（rd-r）、写（wr-r）、停止（stop-r）、主设备确认（ack-r）、中断响应位（i-ack-r） |
| 状态寄存器SR | 8 | 010 | 只读 | 从设备确认位（rx-ack）、I2C-core模块忙位（Core-busy） |
| 发送寄存器TXR | 8 | 011 | 只写 | 寄存器发送到从设备的数据 |
| 接收寄存器RXR | 8 | 100 | 只读 | 寄存由从设备读取的数据 |
| 时钟尺度寄存器PRES | 8 | 101 | 读写 | 寄存器时钟尺度因子，对时钟信号（eclk）实现指定倍数分频，得到SCL和SDA的五个子状态相互转移的同步时钟使能信号（eclk-en） |