基于VHDL的I2C总线控制核设计与实现毕业设计（论文）.doc

基于VHDL的I2C总线控制核设计与实现 学生姓名：戴芳蓉 指导老师：邓泽林 摘 要 从状态机的角度，介绍一种I2C控制核的VHDL设计方法。将其嵌入到FPGA中，用于实现与TMS320C6000系列DSP的接口，并配合DSP的软件完成对视频采集与显示处理系统中数字视频编、解码器工作模式寄存器的配置及其状态查询。着重介绍I2C控制核的总体设计方案，详细描述其内部命令状态机和时序状态机的工作原理及相应的VHDL代码。此外，介绍I2C控制核与DSP相互通信中断处理机制的VHDL实现方法。最后，给出在Xilinx公司的ISE6.1+ModelSimXE5.7c软件平台中进行EDA的综合结果与时序仿真图。 关键词：I2C总线；状态机；FPGA ；VHDL ；DSP ；控制器核 1 引 言 21世纪是信息社会，是知识大爆炸的时代。在今天，社会上大量需求的是全能型的人才，尤其强调综合素质和动手能力的培养，计算机组成原理是一门实践性很强的学科，要求我们在懂得原理的基础上通过亲自动手创新实践，不仅可以加深对课本知识的理解，锻炼我们的动手能力，也为将来分析，设计，开发以及使用计算机打下坚实的基础。 在掌握部件单元电路实验的基础上，通过对一个简单计算机的设计，实现五条基本机器指令，以达到对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解，加深对理论课程的理解。 1.2 关于I2C I2C总线是双向、两线、串行、多主控（multi-master）接口标准，具有总线仲裁机制，非常适合在器件之间进行近距离、非经常性的数据通信。由于其使用两线的硬件接口简单，I2C总线的应用越来越广泛。实现I2C总线通信协议主要有两种方法：①利用MCU对两根I/O口线进行软件编程，模拟I2C总线的SCL和SDA时序要求；②使用专用I2C总线控制核，但受其主机（host）接口方式和时钟频率的限制，在有些场合应用并不方便。 在我们开发的基于DSP的视频采集与显示处理系统中，为了满足数字视频信号传输带宽及图像处理算法速度的要求，选择了TI公司的32位高速、高性能DSP TMS320C6711（简称C6711）芯片（CPU时钟150MHz，外围存储器接口EMIF时钟100MHz）作为处理核心；外围加上FPGA和数字视频编码器与解码器，实现对标准复合视频信号的采集、处理和视频显示任务。由于C6711没有可以单独控制的I/O口线，所以不能使用①的方法；由于外围扩展存储器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易实现②的方法，从系统小型化，充分利用FPGA的逻辑资源，提高硬件系统集成度的角度出发，选定在FPGA内自行设计I2C控制核的方法，实现DSP的高速异步存储器接口到I2C总线接口的转化。 1.3 关于VHDL 硬件描述语言 硬件描述语言发展至今已有几十年的历史，并已成功地应用到系统的仿真、验证和设计、综合等方面。目前常用的硬件描述语言有AHDL、ABEL、VHDL、Verilog HDL等等。20世纪80年代后期，美国国防部开发的VHDL语言(VHSIC Hardware Description Language VHSIC是 Very High Speed Integrated Circuits的缩写)是IEEE标准化的硬件描述语言，并且已经成为系统描述的国际公认标准，得到众多EDA公司的支持。 VHDL语言覆盖面广，描述能力强，能支持硬件的设计、验证、综合和测试，是一种多层次的硬件描述语言。其设计描述可以是描述电路具体组成的结构描述，也可以是描述电路功能的行为描述。这些描述可以从最抽象的系统级直到最精确的逻辑级，甚至门级。 运用VHDL语言设计系统一般采用自顶向下分层设计的方法，首先从系统级功能设计开始，对系统高层模块进行行为描述和功能仿真。系统的功能验证完成后，将抽象的高层设计自顶向下逐级细化，直到与所用可编程逻辑器件相对应的逻辑描述。 VHDL语言还可以描述与工艺有关的信息，工艺参数可以通过设计文件语言参数来调整，不会因工艺变化与发展而使VHDL设计过时。因此，VHDL设计的生命周期与其他设计方法相比是最长的。 2 I2C总线的介绍I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。 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