基于I2C总线协议和FPGA技术实现AT24系列存储器转换接口的设计

1、 I2C总线的基本概念

I2C总线协议是Philips公司推出的总线协议。它是多主机总线，通过2根线（SDA-aserial data line，SCL-a serial clock line）与连接到总线上的器件之间传送信息，根据地址识别每个器件。例如，微控制器、LCD驱动器、存储器、键盘，连接的器件可以工作在发送和（或）接收状态。很显然，LCD驱动器等一些器件只能是接收器，而存储器可以发送和接收数据。对于AT24系列存储器来说，器件的地址是通过把地址输入端A0，A1，A2进行硬件连接来确定的。

图1是典型的I2C总线结构。SDA和SCL都是双向线，通过上拉电阻接正电源。当总线空闲时，这两根线处于高电平状态，连到总线的器件的输出级必须是开漏极或集电极开路，以具有线“与”的功能。设备与总线的接口电路如图2所示。 

2 、I2C总线的数据传输

在I2C总线的数据传输过程中，定义了开始和停止信号。如图3所示，SCL保持“高”，SDA由“高”变为“低”为开始信号；SCL保持“高”，SDA由“低”变为“高”为停止信号。开始（S）和停止（P）信号由主器件产生。在时钟高电平期间上的数据必须保持稳定，如图4所示，只有在时钟线SCL的时钟低电平期间，SDA线上高电平或低电平才能变化。

到SDA线上的每个字节必须是8位长度，每次传输的字节数是不受限制的，每个字节后面必须跟一个响应位。如果一个接收器件在完成其他功能前（如一个内部中断）不能接收另一个数据的完整字节时，可以使时钟保持低电平，以促使发送器进入等待状态。当接收器准备好接收下一个数据字节并释放SCL线，数据传输继续进行。图5表示出了I2C总线上的数据传送时序。

数据传送具有应答是必须的。与应答对应的时钟脉冲由主控器件产生。发送器在应答期间必须下拉SDA线。当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为高，于是主器件产生停止信号终止传输。

3、IP核的设计

3.1该IP核设计与软件实现的比较

在I2C总线的应用中，实现微机与AT24系列存储器之间的通信，可以把微机的通用I/O口作为I2C总线的接口，通过汇编由软件控制实现数据的传输。由于软件在操作上时间的原因，速度总要受到限制。并且汇编控制也很难作为一个统一的标准在应用中推广。通过IP核设计，我们可以在硬件上实现数据串并转换的目的。工作的速度只与存储器本身的特性有关，克服了软件在此方面的不足。

3.2系统设计方案

该系统主要由I2C串行移位寄存器（SSR）、数据缓冲寄存器（IDBR）、控制寄存器（ICR）、状态寄存器（ISR）、从地址寄存器（ICCR）、SCL产生器（SCL Generator）及其他总线组成。图6为其基本内部结构。

在该系统中，SSR把并行数据变为串行数据，传输给存储器，或者把存储器的串行数据变为并行数据，传输为处理器；IDBR把并口来的数据或把被转换成并行的数据暂且装载起来；ICR控制着整个系统的读/写、数据的转换等操作；ISR则监视着系统的状态。

3.3数据的通信格式

主控制器（CPU）如果要从存储器读数据或者写（0表示写）数据到存储器，则需经过接口转换。SDA上的信号传输要遵循一定的格式。在主控制器（CPU）给存储器写数据时，把设备地址、字节地址和数据送给接口，接口完成与存储器之间的数据交换。如下：

其中确认（A）是存储器传送给接口的信号，其余的如开始（S）、设备地址等信号是接口产生的信号。

主控制器从接口读数据时，会把设备地址、字节地址和读信号告诉接口，接口通过与存储器进行数据交换，把数据读出来，送给主控制器。数据格式如下：

其中确认（A）和数据是存储器产生的，其余的如开始（S）、设备地址、停止（P）等信号是接口产生的。

3.4IP核的VHDL设计

该IP核的VHDL设计从低到高共5个模块。这几个模块分别为头地址移位寄存器模块、数据移位寄存器模块、计数器模块、控制模块和外围综合模块。

头地址移位寄存器是用来装载写入（读出）设备地址，在控制模块的控制下，把设备地址移位到串行数据线SDA上。数据移位寄存器是用来装载写入/读出的数据、字节地址，并在控制模块的控制下，把写入的数据、字节地址移位到SDA上，或者把从SDA读出的串行数据变为并行数据，以传送给主控制器。在该IP核设计中，需要对移位的数据字节进行记数，计数器模块实现该功能。控制模块主要通过以刚提到的三个模块为基础，实现了数据的单向传输，也就是把双向的数据线分成2根单向的数据线来传输数据。而外围综合模块则把2根单向的的数据线综合成一根双向的数据线SDA，实现了接口的串并转换功能。

3.5VHDL的实现与仿真

硬件描述语言VHDL（Very-high Speed IC Hard-ware Description Language）是一种用于电路设计的高层次描述语言，具有行为级、寄存器传输级和门级等多层次描述，并具有简单、易读、易修改和与工艺无关等优点。本设计采用MAX+plus Ⅱ 9.5 作为综合工具，对设计的VHDL程序进行调试和波形仿真。

在调试中，MAX+plus Ⅱ生成所需要的I？2C接口模块，如图7所示，表示了整个接口的外部结构。

其中各个管脚的意义如下：

在仿真中，选择EPF10K10LC84-3 作为下载芯片来实现模拟仿真。当向存储器写数据时，串行时钟线和数据线得到图8所示的仿真波形。

当从芯片中读数据时，串行数据线和时钟线上得到的仿真波形如图9。

4、结论

以上介绍了基于I2C总线协议的AT24系列存储器数据串并转换接口的VHDL设计，该接口是针对8位微处理器而设计的。基于FPGA技术的基础上，把软件仿真、编译成功的程序，经JTAG电缆下载到以上指定的芯片上，用89C51与设计的接口进行数据通信，通过硬件验证，能实现它应具备的功能，可在通信系统中得到运用。

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