I2C（Inter Integrated Circuit）雙向二線制串行總線，是由飛利浦公司制定的。I2C總線是一個(gè)多主機(jī)的總線，使用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）在總線上傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的識(shí)別地址，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器。當(dāng)連接在I2C總線上的多個(gè)主機(jī)器件同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通過仲裁來避免沖突。SDA和SCL都是雙向線路，通過一個(gè)電流源或上拉電阻連接到電源。器件輸出級(jí)必須是漏極開路或集電極開路，當(dāng)總線空閑時(shí)，兩條線路處于高電平，執(zhí)行線與的功能。

Actel公司免費(fèi)提供I2C IP核——Core I2C。Core I2C是基于APB總線形式的，它的優(yōu)點(diǎn)是可以連接到Core 8051或者是Cortex M1處理器上，方便用戶進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)，本文將主要介紹Core I2C的原理與應(yīng)用。

1. Core I2C介紹

（1）I2C協(xié)議簡介

I2C總線協(xié)議定義如下：只有在總線處于“非忙”狀態(tài)時(shí)，才能開始數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸期間，只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的任何變化都被當(dāng)作“啟動(dòng)”或“停止”信號(hào)。圖1所示為總線狀態(tài)的定義。

I2C總線的工作方式為：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，如果檢測(cè)到SDA的下降沿，則啟動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸;在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只要SCL為高電平時(shí)，SDA數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，SDA數(shù)據(jù)可以在SCL的低電平時(shí)發(fā)生變化;當(dāng)SCL為高電平時(shí)，如果檢測(cè)到SDA的上升沿，則停止數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）Core I2C內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Core I2C的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它主要由串行時(shí)鐘發(fā)生器、地址寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器和APB總線接口等組成的。

● 串行時(shí)鐘發(fā)生器模塊：提供SCL時(shí)鐘脈沖。

● 地址寄存器模塊：包含了內(nèi)核編程的地址信息。

● 控制寄存器模塊：控制串行傳輸?shù)膯?dòng)、重啟、終止、位速率、地址識(shí)別和應(yīng)答等功能。

● 狀態(tài)寄存器模塊：包含了Core I2C內(nèi)部寄存器工作的狀態(tài)信息。

● APB總線接口：提供了I2C和APB總線通信的接口。

（3）Core I2C內(nèi)部寄存器

Core I2C的寄存器的地址映射如表 1所示。

● 控制寄存器——I2C_CTRL

Bit7：串行時(shí)鐘位2，和第0位、第1位一起決定分頻系數(shù)。

Bit6：I2C使能位，1表示I2C被使能，否則被禁止。

Bit5：起始標(biāo)志位，1表示起始標(biāo)志位有效，總線在空閑時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)起始狀態(tài)位。

Bit4：停止標(biāo)志位，1表示停止標(biāo)志位有效，總線將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)位。

Bit3：串行中斷標(biāo)志位，在狀態(tài)寄存器的值被更新以后，這位必須被清零。

Bit2：主/從機(jī)設(shè)置位，1表示工作在從機(jī)模式，0表示工作在主機(jī)模式。

Bit1：串行時(shí)鐘位1，和第7位、第0位一起決定分頻系數(shù)。

Bit0：串行時(shí)鐘位0，和第7位、第一位一起決定分頻系數(shù)。

Core I2C時(shí)鐘頻率的定義如表 2所示。

● 狀態(tài)寄存器——I2C_STA

狀態(tài)寄存器取出所有內(nèi)部狀態(tài)位并將它們壓縮成一個(gè)5位的代碼，該代碼與每個(gè)I2C總線狀態(tài)位一一對(duì)應(yīng)，5位代碼可用于產(chǎn)生向量地址，以便快速處理不同的服務(wù)程序，每個(gè)服務(wù)程序處理一個(gè)特定的總線狀態(tài)。如果I2C模塊的所有模式都被使用，則有26種可能的總線狀態(tài)。

● 數(shù)據(jù)寄存器——I2C_DAT

數(shù)據(jù)寄存器包含要發(fā)送或剛接收的數(shù)據(jù)，當(dāng)它沒有處理字節(jié)的移位時(shí)，APB控制器可以對(duì)其進(jìn)行讀寫。

● 地址寄存器——I2C_ADDR

Bit7～Bit1：自身從機(jī)地址。

Bit0：通用調(diào)用位，該位設(shè)置為1，通用調(diào)用地址有效，否則無效。

（4）Core I2C的基本操作

Core I2C可以配置成主機(jī)或從機(jī)，總線時(shí)鐘速率可調(diào)整，最高可支持400kb/s的總線傳輸速率。使用I2C總線時(shí)，在總線上要連接兩個(gè)上拉電阻，阻值為1~10k歐姆。

● 主機(jī)發(fā)送模式

主機(jī)發(fā)送模式的數(shù)據(jù)發(fā)送格式如圖 3所示。先發(fā)送起始條件，然后發(fā)送從機(jī)地址和寫方向位，這時(shí)從機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答，主機(jī)在接收到應(yīng)答位后，依次發(fā)送n個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送后，從機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答位，發(fā)送完n個(gè)數(shù)據(jù)后，主機(jī)發(fā)送停止位。

● 主機(jī)接收模式

主機(jī)接收模式的數(shù)據(jù)接收格式如圖4所示。主機(jī)先發(fā)送起始條件，然后發(fā)送從機(jī)地址和讀方向位，這時(shí)從機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答，主機(jī)在接收到應(yīng)答位后，依次讀出n個(gè)數(shù)據(jù)，主機(jī)在接收到每個(gè)數(shù)據(jù)后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答位，接收完數(shù)據(jù)后，主機(jī)發(fā)送停止位。

（5）應(yīng)用場(chǎng)合

I2C協(xié)議主要應(yīng)用于對(duì)串行設(shè)備的控制，如各種串行的存儲(chǔ)器等。圖5所示為使用I2C接口控制EEPROM。

2.小結(jié)

本文主要介紹了Actel FPGA的Core I2C IP核，除了Core I2C，Actel公司還提供了UART、SPI、PWM、Timer等IP核，請(qǐng)關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站獲得更多的信息。我們有著一個(gè)接近30人的FPGA團(tuán)隊(duì)提供強(qiáng)有力的售后服務(wù)，解決用戶在產(chǎn)品使用和研發(fā)過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會(huì)竭誠為您服務(wù)，并能關(guān)注下期的FPGA專題技術(shù)講座。