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1、哈尔滨理工大学毕业论文SOC芯片中I2C总线控制器的设计,姓名：卢月阳专业：集成电路设计与集成系统指导教师：姜占鹏2012-5-4,简介,概述此I2C总线控制逻辑支持与Philips的I2C总线广泛兼容的串行接口并且支持I2C总线的所有传输模式( Master Transmitter Mode ,Master Receiver Mode ,Slave Receiver Mode ,Slave Transmitter Mode )。此IIC核自行处理字节传输, 同时支持串行传输，并具有一个用于跟踪I2C总线上的数据和I2C总线状态寄存器中数据的寄存器。此IIC核为一个可用于ASIC和FPGA综合
2、设计，其传输严格与驱动时钟的上升沿同步，没有内部三态和同步复位，所以可以直接插入内部扫描。,特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联 成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控 (multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。I2C总线的构成及信号类型 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串
3、行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率 100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程 中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。,CPU发出的控制信号分为地址码和控制 量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂 在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。 I2C总线在传送数据过程中共
4、有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单 元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。,目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHI
5、LIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提 供I2C接口。,第一章 绪论,课题背景与意义随着微电子技术的发展，系统集成芯片SOC(SystemOnChip)已经成为IC(Integrated Circuit)业界的焦点。所谓SOC就是把构成一个系统所需要的各个功能模块集成到一个硅片上，如在一个嵌入式微处理器中可以集成有处理器内核、LCD控制器、存储控制器、USB控制器、串行数据通信接口等各种功能模块。SOC芯片必须有面积小、功耗低、IP(Intellectual Property)可重复应用等特点。在芯片开发过程中，利用E
6、DA-F具设计芯片实现系统功能已经成为支撑电子设计的通用平台，并逐步向支持系统级的设计方向发展，此时各个设备的连接和外围器件的扩展就显得十分重要。扩展的方法有两种：一种是并行总线；另一种是串行总线。串行总线连线少，结构简单，往往不用专用的母板和插座而直接用导线连接各个设备即可，因此采用串行总线大大简化了系统硬件设计。尤其是I2C(Inter Integrated Circuit)总线，它是具备多主机系统所需的包括仲裁和高低速设备同步等功能的高性能串行总线，以其接口简单、使用灵活等突出优点在数字系统中获得了广泛的应用。,I2C总线是Philips公司推出的一个简单的芯片间串行传输总线，实现有效的
7、IC之间控制。I2C总线是关注速度和复杂程度之间的很好的折衷。它以两根连线实现了完善的全双工同步数据传送，可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。它采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单而灵活的扩展方法【1 】 。在具体应用过程中，当前端处理器提供了I2C总线接口时，其两根连线可以直接与外围芯片的相应引脚相连。当前端处理器不具备12c控制功能时，实现I2C总线协议主要有两种方法【2】【3】：利用处理器的两根引脚分别模拟I2C总线的串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，并利用软件程序模拟接口功能。这种方法的通用性好，灵活可靠，
8、但是移植性差，占用资源较多，程序庞大，不易维护。使用专用I2C总线控制器口核。这种方法受主机接口方式和时钟频率的限制，在有些场合应用并不方便，且会造成资源的浪费。因此，为了满足应用系统低成本、低功耗、小体积的设计要求，并且使用户能方便快捷地进行系统的开发与集成，有必要在SOC芯片中提供完整的I2C协议功能。然而I2C协议对总线接口电气标准作了严格的规定，无法用普通的数字I/O PAD直接与总线连。因此在系统设计时需要通过增加专用的I/O PAD电路来和I2C逻辑模块一起提供完整的协议功能。这样设计符合总线接口标准的IO PAD电路就成为实现I2C逻辑在SOC芯片中集成的又一关键。,随着12C总
9、线研究的深入，它已经被广泛应用于视音频领域、IC卡行业、家用电器、通讯设备及各类电子产品中，在智能仪器、仪表和工业测控领域也得到了相应的应用。当前国际上有超过50家的半导体公司的2000多种芯片上集成了I2C接口，例如Intel公司在其PxA系列的32位MPU中就集成I2C接口；三星公司在其S3C2410X等微处理器中也集成了I2C模块由此可见，I2C总线已经成为一种世界性的工业标准，并且随着数字化时代的到来，其应用范围将会越来越广。,论文的主要工作论文的主要工作是在充分理解I2C协议规范的基础上设计一个基于APB总线的I2C控制器模块，同时结合对IO PAD电路的研究，设计出符合I2C总线接
10、口规范的专用IO PAD电路。论文的具体工作主要集中在以下几方面：东南大学硕士学位论文1) 充分理解I2C协议的内容以及APB总线时序的特点，根据实际应用的需要确定I2C控制器的预定功能，完成逻辑功能模块划分，实现各个子模块的逻辑设计。2) 根据I2C协议的内容和定义的各项总线功能，对I2C总线控制器进行全面功能仿真和FPGA验证。3) 在分I/OPAD电路结构以及I2C接口电路的基础上，确定I2C专用IO PAD电路的系统功能模块划分，根据目标工艺和F PAD接口电路设计要求将各功能模块划分为子模块，完成各个子模块电路的设计。4) 根据I2C协议各项接口参数的要求，对怕PAD电路进行电路仿真
11、和验证，对各项电气参数进行模拟。,论文结构本课题的研究重点是实现SOC芯片中的I2C总线控制器的设计。本文共分为六章：第一章绪论，论述了课题的简要情况，概要介绍了课题的实现背景以及主要内容；第二章I2C总线协议概述，介绍了I2C总线的概念，详细叙述了总线的传输格式、电气规范以及时序；第三章I2C总线控制器逻辑设计，重点介绍了I2C总线控制器的功能定义和结构划分，详细描述了各个功能模块的原理，给出了模块结构框图和具体设计过程；第四章I2C总线控制器I/O PAD电路设计，首先介绍了I/O PAD电路的结构与主要参数，然后根据I2C总线接口电路的电气标准进行电路划分和设计；第五章验证及结果分析，首先对I2C控制器数字逻辑部分进行了全面功能仿真和FPGA验证，同时在目标工艺下对I2C I/O PAD电路进行了仿真和验证，对各项电气参数进行了模拟；第六章总结与展望，提出对论文工作的总结和对未来后续工作的设想。,THANK YOU FOR YOUR TIME!,
