基于CPLD的I2C總線接口設計

該設計由7個單元組成，它們分別是：用于調整I2C總線數據傳輸速率的Clock單元；用于實現同CPU并行接口的PcPort單元：用于產生I2C總線工作時序的I2CStep單元；用于產生數據傳輸時序的BitTiming單元；用于產生I2C總線使能信號的En12C單元：用于產生I2C總線接口模塊工作狀態指示的Status單元：以及用于產生I2C接口時鐘信號SDL和數據串行輸入輸出信號SDA的I2CPORT單元。
2．1 Clock單元
整個接口模塊以CPU的系統時鐘作為主時鐘信號，模塊傳輸數據的速率受該時鐘頻率的控制，時鐘頻率高則模塊傳輸數據的速率也高，反之亦然。考慮到各種具有I2C總線接口的芯片的工作速率差別較大(從幾十kB／s到幾MB／s)，該接口模塊的工作速率必須能夠靈活調整，以適應不同外設芯片的接口需要。
Clock單元實際上就是一個分頻器，它在輸出頻率控制碼CKSEL[7..0]的控制下產生對PCCLK分頻后合適的時鐘信號供I2C接口使用。
2．2 I2CStep單元
通過對圖1中I2C總線各種工作模式的分析，可知不同的工作模式都是按特定的工作流程串行輸入、輸出數據的，例如字節寫模式的工作流程為：發送開始信號、串行輸出被叫芯片的片選地址、發送寫信號、等待被叫芯片響應、串行輸出被叫芯片存儲單元的地址、等待被叫芯片響應、串行輸出寫入的數據、等待被叫芯片響應、發送結束信號結束本次操作。
為了使接口模塊正確工作，模塊在接收到來自CPU的工作模式控制信號I2CMD[2．．0]后，根據工作模式的不同產生接口模塊工作流程。當前流程結束后由Status單元產生IncStep信號，控制工作流程指向下一階段。該模塊的功能類似一個計數器，它在I2CMD[2．．0]和I2CStep的共同作用下，產生長度不等的工作流程信號Step[6．．0]。
2．3 BitTiming單元
在I2C總線工作流程的不同階段，I2C接口模塊需要按一定的時序完成不同的工作，通過對總線數據傳輸模式的分析可知，在一個數據傳輸模式的所有工作流程中，輸入、輸出8位數據的工作流程用時最長，需要25個工作時序周期，為了滿足所有工作流程的需要，工作時序Bit-Timing單元被設計成最長可產生31個時鐘周期的工作時序。
該單元在IncStep=‘1’時復位工作時序；在EnTiming信號有效后的每個SysCLK的上升沿使工作時序信號EnTiming加1，用于控制I2CPORT單元按給定的時序串行輸入、輸出數據信息。
2．4 Status單元
在I2C總線工作過程中，CPU需要隨時了解I2C接口模塊的發送數據寄存器是否為空、接收數據寄存器是否準備數據好、從機響應信號是否正確、當前工作流程是否完成等工作狀態，只有在發送數據寄存器為空時，CPU才可以向接口模塊寫入待傳輸數據；只有在接收數據寄存器數據準備好后，CPU才可以從接口模塊讀入正確的接收數據；從機響應信號不正確時，CPU應立即發出結束信號結束本次操作；當前工作流程未完成前不能進行下一流程。這些狀態信號全部由Status單元產生。
在該單元中，共有4種輸出信號，它們分別是：用于指示發送數據寄存器是否為空的TxSTS狀態，該狀態在CPU寫入數據后置‘1’，數據被發送后清‘0’；用于指示接收數據準備好狀態的RxSTS信號，該信號在模塊接收到完整的數據后置‘1’，數據被CPU讀走后清‘0’；用于指示模塊工作狀態的ACKSTS信號，該信號在模塊工作正常(接收到從機響應信號)時自動置‘1’，工作不正常時自動清‘0’；用于使工作流程指向下一階段的IncStep信號，該信號在當前工作流程完成后由模塊自動產生，用于使模塊的工作流程指向下一階段。
2．5 EnI2C單元
在I2C總線接口模塊中，BitTiming單元何時開始產生工作時序，需要時序信號控制，I2CPORT單元何時向I2C總線輸出信息、何時從I2C總線上讀入信息也需要時序信號控制。這些控制時序的產生由EnI2C單元完成。
EnI2C單元在I2CMD[2．．0]、Step[6..0]、TxSTS、RxSTS等信號的控制下，從預先存儲于單元內部的一組I2C工作時序信息中讀出當前的時序信息輸出，控制BitTiming和I2CPORT單元工作。
模塊中，預先存儲的I2C工作時序信息實現如下：