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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于IC总线的状态机优化与端口扩展器设计 姓名：陈嵩 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：邹雪城 20070527 I 摘 要 手机市场是如今全球最热门的电子产品市场之一，各式各样的手机板型和多元化 的手机功能，在为手机市场带来丰厚的利润的同时，也为手机的设计提出了巨大的挑 战。 如今， 解决手机主体与机盖之间的连接线过多的问题， 已经成为设计的一大难点。 采用串行总线的连接方式，为这一问题的解决提供了一个可行的方案，因此，端口扩 展器芯片随之诞生。 本文以端口扩展器芯片的设计为基础，详细讨论了基于 I2C 总线的端口扩展器的 低功耗、小面积的优化设计。全
2、文从端口扩展器的核心模块 I2C 接口控制模块入手， 深入研究了接口控制模块中状态机的原理及其优化设计，提出了一种多时钟周期状态 机的设计方法，该方法采用移位寄存器计数来控制状态转移，利用移位寄存器结构灵 活的特点，达到简化状态，优化状态机性能的目的。在此基础上，成功设计了一种优 化的接口控制模块状态机。该状态机与传统的 I2C 接口状态机相比，其状态数减少为 四个，同时，优化的状态机复用了 I2C 接口中用于数据转换的移位寄存器代替传统的 计数器来控制状态转移，从而减少了模块中单元数目，将 I2C 控制模块的面积降低了 30%，功耗也降低了 10%。 最后在优化设计接口模块的基础上，本文设计
3、了一款带有脉宽调制功能的端口扩 展器芯片，本芯片除了能作为通用端口使用外，还提供了两组可选择脉宽调制波形控 制 LED。输出波形频率范围为 40Hz 到 0.15625Hz，有效脉宽范围为 0%到 99.6%。输 出波形的频率和有效脉宽都有 256 种不同值可供编程。 关键词关键词：有限状态机，I2C 总线，端口扩展器，脉宽调制 II Abstract Nowadays, the mobile phone market is one of the hottest globe electronic products market. Varied types of mobile phones wi
4、th different functions, which have brought substantive profit to the companies, take huge challenge in designing. To solve the interface problem of main body of the mobile phones and its cover, there is a way which is using serial bus. In that case, GPIO expander is born. In this dissertation, based
5、 on the expanders structure, an optimized design of low power, small area expander with I2C bus will be discussed. The discussion start from interface module design, whose finite state machine (FSM) will be deeply researched and optimized. A new method that use shift registers as a counter to contro
6、l the FSM transfer has been put forward. It will reduce the states of the FSM so that the power and area will be cut down as well. And then an advanced interface module with I2C bus has been designed in which the power has disposed 10%, and the area has been 30% smaller than before. Finally an expan
7、der with the function of pulse width modulation (PWM) is design using the new interface module which using the advanced FSM. The expander could be used no only as a GPIO expander but also as a LED display controller. It provides 2 optional PWM waves. The bound of wave frequency is form 40Hz to 0.156
8、25Hz, while the pulse width is from 0% to 99.6%. Each of them can be programmed in 256 different values. Keywords: finite state machine I2C bus GPIO expander PWM 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声
9、明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1. 绪论绪论 1.1 课题研究背景课题研究背景 手
10、机是当今社会一种不可缺少的通讯工具，是生产力发展的结果，作为人类传递 信息的一种媒介工具，它的发展是有目共睹的。从最初的电话功能到收发短信；从最 初的单色屏幕、电子铃声到彩色屏幕、和弦铃声；从最初的砖块手机到现在的超轻超 薄手机；从最初仅有的通信功能手机到现在的多媒体娱乐手机。随着时代的进步，手 机的功能和样式都在不断更新。如今，手机已经不再是一种普通的通讯工具，它已经 成为一种时尚产品，成为人们身份和地位的象征。 当手机成为人们身上一种装饰和炫耀的工具之 后，手机的造型在某些用户的眼里甚至超过了对功 能的要求。在这众多造型中，折叠手机以其独特的 两张面孔吸引了众多消费者的眼球。如图 1-1
11、所示， 折叠手机的外型类似于蛤壳，由折叠在一起的两个 外壳组成1。手机的主体部分通常是比较厚的部分， 它包括基带电路，射频电路，以及键盘、电池、天 线等。而副体部分称为机盖，通常包括主显示屏， 机盖外部的副显示屏和辅助键盘等。在机盖周边还 有电话耳机，其它音频、振铃电路等，有些手机的 机盖里还设计了照相机模块。 在大多数的机盖配件中，显示屏、摄像头等都 带有单独的适当速率的接口总线连接主体部分的 CPU，用于刷新显示屏和下载图片。然而，通过转轴从机盖到主体传递数据存在一定 的瓶颈。因为转轴通常是由 Mylar和铜线制造的柔性电路，为了确保在反复的折叠 使用后电路的可靠性，布线密度（即布线数）必
12、须有所限制。因此手机设计时必须对 机盖和机体之间的连线数加以控制，以确保手机的可靠性。 早期的折叠手机是翻盖手机，和所有早期的手机一样，其功能简单，屏幕小，色 彩单一，手机的机盖上集成的功能也非常少。因此早期的手机的机盖与机体主机之间 需要的连接线数目比较少，仅仅需要几根连接线来控制 LCD 屏幕的背光和传递显示 屏数据，如图 1-2(a)所示。在这一阶段，手机两机体之间的连接线问题还不是很严重。 图图 1-1 折叠手机的结构 2 随着彩屏手机的出现， 手机的显示屏越来越复杂， LCD 显示屏的背光也使用 LED 阵列来驱动；另外彩色屏幕丰富的色彩也使得数据越来越庞大；再加上集成的 mp3 等
13、多媒体功能，也为机盖增加了辅助键盘以满足人们不同的需要。在这种情况下，机 盖与主体之间的通信越来越频繁，需要的连接线也越来越多，如图 1-2(b)所示。机盖 与主机之间连接线问题变得越来越严重了。 (a) (b) (c) 图图 1-2 折叠手机两机体之间连接线的发展 近几年，手机在体积、样式、功能等方面飞速发展，超薄手机，滑盖，旋转手机 的出现，更加剧了机盖与主体之间过多的连接线问题。并行总线架构已经很难适应折 叠手机的发展了。串行总线架构适时出现，为这一问题的解决，带来了一线曙光。串 行架构中，主机体与机盖之间采用串行总线互连方式，等数据传入到机盖之后，再将 串行数据转换成并行数据处理，或者
14、直接对串行数据进行处理。图 1-2(c)所示的就是 由 NXP 公司提供的基于 I2C 总线手机解决方案2，它使用同步串行 I2C 总线实现了主 机体与机盖的连接，机盖中再使用 I2C 接口端口扩展器，将数据转换成并行数据进行 处理。端口扩展器不仅能实现数据的转换，还能够通过其通用接口(GPIO)接口直接驱 动和控制 LED 背光阵列，从而简化设计。这一套解决方案，顺利的解决了折叠手机 中机体互联中连接线过多的问题。 使用串行总线连接机盖与主机体，并通过总线扩展器件来扩展数据端口，成为折 叠手机的设计中解决机体互连的首要方法。巨大的市场刺激着研究向前发展。目前越 来越多的公司和机构加入了端口扩
15、展器的研究中，并推出和适合多种总线系统，不同 功能的端口扩展器，其中以 I2C 总线和 SPI 总线系统的端口扩展器数量最多。端口扩 展器的功能也在不断推陈出新，不同接口速度，不同扩展端口数量，中断，复位等扩 展功能，都预示着端口扩展器的研究伴随着一轮又一轮的高潮不断发展着，毫无停止 的迹象。 3 1.2 国内外研究进展 国内外研究进展 市场的需求是产品研发的先导。端口扩展器的需求是巨大的，目前很多公司都推 出了自己的端口扩展器产品， 以适应市场的需要， 尤其以 NXP， MAXIM， TI， CYPRESS 和 MICROCHIP 等公司为甚。 在串行总线方面，NXP 公司作为 I2C 总线
16、的创始机构，主要推出了基于 I2C 总线 的端口扩展器。MICROCHIP 公司的端口扩展器则以 SPI 总线为主要的通信协议。 MAXIM 和 CYPRESS 公司也设计了多款适合于不同总线系统的端口扩展器。 在传输速率方面，不同的总线系统有各自特定的总线速率。以 NXP 公司为代表 设计的 I2C 总线端口扩展器包含了 I2C 总线的各种模式，例如标准模式的 100Kbit/s， 快速模式的 400Kbit/s 等。 最近， NXP 公司又推出了新型的快速增强模式(fast-plus mode) 的端口扩展器 PCA9635 和 PCA9636 等 PCA96xx 系列产品， 这些产品都能够以快速模 式的电气性能标准，在 1Mbit/s 的速度下运行。而 MAXIM 公司除了提供许多与 NXP 公司兼容的端口扩展器件外，也推出了多款能够运行在 26MHz 的 SPI 端口扩展器件， 如 MAX7300，MAX7301 等等，进一步提高端口扩展器件的数据传输速度。 端
