采用VHDL-93语言和可编程芯片实现IIC总线接口的芯片功能设计
iic总线是philips公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线。它只需两根线（串行时钟线和串行数据线）即可在连接于总线上的器件之间传送信息。该总线是高性能串行总线，具备多主机系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能，应用极为广泛。
目前市场上虽然有专用iic总线接口芯片，但是地址可选范围小、性能指标固定、功能单一、使用不方便。根据iic总线的电气特性及其通讯协议，采用altera公司的flex10k系列isp器件epf10k10lc84-3可以方便地实现iic总线的通讯接口，且具有高速、易调试、可以灵活地实现地在线配置等优点，同时大大地减少了系统的开发周期。
1、iic总线的数据传输规范
iic总线主从机之间的一次数据传送称为一帧，由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。通讯启动时，主动发送一个启动信号（当scl线上是高电平时，sda线上产生一个下降沿）、从机的地址码（8位）和读写信号；通讯停止时，主机发送一个停止信号（当scl线上是高电平时，sda线上产生一个上升沿）。在数据传送过程中，当scl线上是高电平时，必须保证sda线上的数据稳定；传送一个字节的数据，必须由接收机发一个应答信号。总线的传输码速率为100kbps（标准）～400kbps（高速）。采用+5v电源供电时，输入电平规定为：vilmax=1.5v，vihmin=3v；采用宽电源电压时，电平规定为：vilmax=1.5vdd，vihmin=3vdd。
iic总线的通讯过程如图1所示。
2、isp的逻辑实现
基于iic总线的数据传输规范，为完成iic总线的数据发送与接收，采用isp器件实现通讯接口的逻辑功能框图如图2所示。通过频选、控制、可控时钟可获得100khz、200khz、300khz、400khz的时钟频率。器件退出总线竞争后，时钟线置高电平。
2.1 通讯的启动与停止
在主机方式下，接收数据时，isp器件必须通过启动信号生成器送出一个启动信号，然后发送从机的地址信号和读写信号。只有这样，才能在总线上发送数据。该过程由控制寄存器启动。vhdl描述如下：
process（wr，cs）
——wr is cpu write signal
——cs is this chip‘s select signal addrs：=’0‘；
if（ctrreg（0）=’1‘and ctrreg（3）=’1‘ and scl1=’1‘）then
——ctrreg 为控制寄存器
clk1count：=’0‘；
sda1：=’1‘；
if（clk1 event and clk=’0‘）then
if（clk1count=’3‘）then
sda1：=’1‘;
addrs：=’1‘;
ctrreg（3）：=’0‘;
csta：=’1‘;
else［page］
clk1count：=clk1count+1;
end if;
end if;
end if;
if（addrs=’1‘and scl1 ’event and scl1=‘1’）then
························——将数据寄存器中的数据
························——及wr信号移位发出（略）
end if；
end process；
当一次通讯结束时，主机要发送停止信号。该过程同样同控制寄存器控制；当控制字第二位为‘1’时，isp器件产生停止信号。vhdl描述与启动类似。
2.2 发送数据
在主机方式下，完成启动和地址信号发送后即开始发送数据。发送数据时并串转换器在scl的下降沿移位，保证scl高电平时sda上的数据稳定。发送的进程由wr信号和从机的应答信号启动。
当isp器件在总线竞争失败时，由处理器将isp器件转为从机工作方式，处理器向地址检测电路送该器件在系统中的地址。只有在接收到的地址信息与该器件所设的地址相同时，才发出应答信号，开始通讯。每发送一个字节即将sda拉高，等待接收机的应答信号，准备下一个数据。
2.3 接收数据
在主机方式下，完成通讯启动和地址信号发送后便开始准备接收数据。每接收一个字节后要发出应答信号，产生一个负脉冲作为中断请求信号输出给处理器。若此时系统忙，则拉低scl电平迫使发送机进入等待状态。从机方式下的接收与主机方式下一样。vhdl描述如下：
process（sda1）
sack：=‘0’；
full1：=‘0’；
stp：=‘0’；
intq：=‘1’；
if（csta=‘1’ and addok=‘1’）then
if（scl‘1’event and scl1=‘0’）then
……——接收数据，串入并出移位（略）
full1：=‘1’；
end if；
end if；
if（full1=‘1’）then
if（rd‘event and rd=’1‘and
scl1’event and scl1=‘0 and
busy=’0‘）then
sda1：=’0‘；
full：=’0‘；
intq：=’0‘；
else
sda1：=’1‘；
if（clk1’event and clk=‘0’ and full1=‘0’）then
if（clk1count‘20’）then
intq：=‘1’；
clk1count：=‘0’；［page］
else
clk1count：=clk1count+1；
end if；
end if；
if（slave=‘1’ and scl=‘1’ and sda ‘event and sda=’1‘）then
stp：=’1‘；
csta：=’0‘；
end if；
end if；
end process；
2.4 总线仲裁
在通讯过程中，isp器件在发送数据的同时接收总线上的数据，将该数据与已送的数据进行比较，若不相同则置位状态发生器的slave，表示该主机退出竞争。通过处理给控制寄存器发送控制字可以让isp器件转入从机工作方式。这时启动地址检测，禁止scl的发送。在一次通讯结束后，将状态生成器的end置位，此时处理器可以再次将isp器件设置为主机方式。
2.5 控制寄存器与状态生成器
控制寄存器主要是定义isp器件的工作状态，其各位的定义为：
busy：若该位为’1‘，主机作为接收机时，不发应答信号；
sta：启动信号位；
stp：停止信号位；
m/s：主从机位，用于选择芯片工作状态（主机还是从机）；
clks1、clks2：频选控制位；
clken：scl使能位，该位为1时scl置高电平。
状态生成器可以生成工作状态信号（中断、iic总线竞争、从机方式时通讯开始与结束）供处理器查询处理。
3、 参数配置
该器件可以配置为从100kbps（标准）到400kbps（高速）的任何传送速度，以满足不同的需要。只需在vhdl（描述的结构体中指明配置的参数即可实现配置，非常方便。
本设计只使用一片可编程芯片即可完成iic总线接口的芯片功能。由于采用vhdl-93语言进行设计，具有良好的可移植性，可用于其它isp厂家的产品中。通过byteblast下载线可以在线改变其功能，体现了isp器件的优越性。
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1、iic总线的数据传输规范
iic总线主从机之间的一次数据传送称为一帧，由启动信号、地址码、若干数据字节、应答位以及停止信号等组成。通讯启动时，主动发送一个启动信号（当scl线上是高电平时，sda线上产生一个下降沿）、从机的地址码（8位）和读写信号；通讯停止时，主机发送一个停止信号（当scl线上是高电平时，sda线上产生一个上升沿）。在数据传送过程中，当scl线上是高电平时，必须保证sda线上的数据稳定；传送一个字节的数据，必须由接收机发一个应答信号。总线的传输码速率为100kbps（标准）～400kbps（高速）。采用+5v电源供电时，输入电平规定为：vilmax=1.5v，vihmin=3v；采用宽电源电压时，电平规定为：vilmax=1.5vdd，vihmin=3vdd。
iic总线的通讯过程如图1所示。
2、isp的逻辑实现
基于iic总线的数据传输规范，为完成iic总线的数据发送与接收，采用isp器件实现通讯接口的逻辑功能框图如图2所示。通过频选、控制、可控时钟可获得100khz、200khz、300khz、400khz的时钟频率。器件退出总线竞争后，时钟线置高电平。
2.1 通讯的启动与停止
在主机方式下，接收数据时，isp器件必须通过启动信号生成器送出一个启动信号，然后发送从机的地址信号和读写信号。只有这样，才能在总线上发送数据。该过程由控制寄存器启动。vhdl描述如下：
process（wr，cs）
——wr is cpu write signal
——cs is this chip‘s select signal addrs：=’0‘；
if（ctrreg（0）=’1‘and ctrreg（3）=’1‘ and scl1=’1‘）then
——ctrreg 为控制寄存器
clk1count：=’0‘；
sda1：=’1‘；
if（clk1 event and clk=’0‘）then
if（clk1count=’3‘）then
sda1：=’1‘;
addrs：=’1‘;
ctrreg（3）：=’0‘;
csta：=’1‘;
else［page］
clk1count：=clk1count+1;
end if;
end if;
end if;
if（addrs=’1‘and scl1 ’event and scl1=‘1’）then
························——将数据寄存器中的数据
························——及wr信号移位发出（略）
end if；
end process；
当一次通讯结束时，主机要发送停止信号。该过程同样同控制寄存器控制；当控制字第二位为‘1’时，isp器件产生停止信号。vhdl描述与启动类似。
2.2 发送数据
在主机方式下，完成启动和地址信号发送后即开始发送数据。发送数据时并串转换器在scl的下降沿移位，保证scl高电平时sda上的数据稳定。发送的进程由wr信号和从机的应答信号启动。
当isp器件在总线竞争失败时，由处理器将isp器件转为从机工作方式，处理器向地址检测电路送该器件在系统中的地址。只有在接收到的地址信息与该器件所设的地址相同时，才发出应答信号，开始通讯。每发送一个字节即将sda拉高，等待接收机的应答信号，准备下一个数据。
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process（sda1）
sack：=‘0’；
full1：=‘0’；
stp：=‘0’；
intq：=‘1’；
if（csta=‘1’ and addok=‘1’）then
if（scl‘1’event and scl1=‘0’）then
……——接收数据，串入并出移位（略）
full1：=‘1’；
end if；
end if；
if（full1=‘1’）then
if（rd‘event and rd=’1‘and
scl1’event and scl1=‘0 and
busy=’0‘）then
sda1：=’0‘；
full：=’0‘；
intq：=’0‘；
else
sda1：=’1‘；
if（clk1’event and clk=‘0’ and full1=‘0’）then
if（clk1count‘20’）then
intq：=‘1’；
clk1count：=‘0’；［page］
else
clk1count：=clk1count+1；
end if；
end if；
if（slave=‘1’ and scl=‘1’ and sda ‘event and sda=’1‘）then
stp：=’1‘；
csta：=’0‘；
end if；
end if；
end process；
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busy：若该位为’1‘，主机作为接收机时，不发应答信号；
sta：启动信号位；
stp：停止信号位；
m/s：主从机位，用于选择芯片工作状态（主机还是从机）；
clks1、clks2：频选控制位；
clken：scl使能位，该位为1时scl置高电平。
状态生成器可以生成工作状态信号（中断、iic总线竞争、从机方式时通讯开始与结束）供处理器查询处理。
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该器件可以配置为从100kbps（标准）到400kbps（高速）的任何传送速度，以满足不同的需要。只需在vhdl（描述的结构体中指明配置的参数即可实现配置，非常方便。
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