基于vhdli2c總線控制核設(shè)計(jì)論文及實(shí)現(xiàn)(已修改)
2025-07-08 12:28 本頁面
【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)基于VHDL的I2C總線控制核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘 要從狀態(tài)機(jī)的角度，介紹一種I2C控制核的VHDL設(shè)計(jì)方法。將其嵌入到FPGA中，用于實(shí)現(xiàn)與TMS320C6000系列DSP的接口，并配合DSP的軟件完成對(duì)視頻采集與顯示處理系統(tǒng)中數(shù)字視頻編、解碼器工作模式寄存器的配置及其狀態(tài)查詢。著重介紹I2C控制核的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)描述其內(nèi)部命令狀態(tài)機(jī)和時(shí)序狀態(tài)機(jī)的工作原理及相應(yīng)的VHDL代碼。此外，介紹I2C控制核與DSP相互通信中斷處理機(jī)制的VHDL實(shí)現(xiàn)方法。最后，+。關(guān)鍵詞：I2C總線；狀態(tài)機(jī)；FPGA ；VHDL ；DSP ；控制器核 1 引 言21世紀(jì)是信息社會(huì)，是知識(shí)大爆炸的時(shí)代。在今天，社會(huì)上大量需求的是全能型的人才，尤其強(qiáng)調(diào)綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，計(jì)算機(jī)組成原理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，要求我們?cè)诙迷淼幕A(chǔ)上通過親自動(dòng)手創(chuàng)新實(shí)踐，不僅可以加深對(duì)課本知識(shí)的理解，鍛煉我們的動(dòng)手能力，也為將來分析，設(shè)計(jì)，開發(fā)以及使用計(jì)算機(jī)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 課程設(shè)計(jì)的目的在掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)五條基本機(jī)器指令，以達(dá)到對(duì)計(jì)算機(jī)的基本組成、部件的設(shè)計(jì)、部件間的連接、微程序控制器的設(shè)計(jì)、微指令和微程序的編制與調(diào)試等過程有更深的了解，加深對(duì)理論課程的理解[1]。 關(guān)于I2CI2C總線是雙向、兩線、串行、多主控（multimaster）接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，非常適合在器件之間進(jìn)行近距離、非經(jīng)常性的數(shù)據(jù)通信。由于其使用兩線的硬件接口簡(jiǎn)單，I2C總線的應(yīng)用越來越廣泛。實(shí)現(xiàn)I2C總線通信協(xié)議主要有兩種方法：①利用MCU對(duì)兩根I/O口線進(jìn)行軟件編程，模擬I2C總線的SCL和SDA時(shí)序要求；②使用專用I2C總線控制核，但受其主機(jī)（host）接口方式和時(shí)鐘頻率的限制，在有些場(chǎng)合應(yīng)用并不方便。在我們開發(fā)的基于DSP的視頻采集與顯示處理系統(tǒng)中，為了滿足數(shù)字視頻信號(hào)傳輸帶寬及圖像處理算法速度的要求，選擇了TI公司的32位高速、高性能DSP TMS320C6711（簡(jiǎn)稱C6711）芯片（CPU時(shí)鐘150MHz，外圍存儲(chǔ)器接口EMIF時(shí)鐘100MHz）作為處理核心；外圍加上FPGA和數(shù)字視頻編碼器與解碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻信號(hào)的采集、處理和視頻顯示任務(wù)。由于C6711沒有可以單獨(dú)控制的I/O口線，所以不能使用①的方法；由于外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口（EMIF）工作在100MHz，也不易實(shí)現(xiàn)②的方法，從系統(tǒng)小型化，充分利用FPGA的邏輯資源，提高硬件系統(tǒng)集成度的角度出發(fā)，選定在FPGA內(nèi)自行設(shè)計(jì)I2C控制核的方法，實(shí)現(xiàn)DSP的高速異步存儲(chǔ)器接口到I2C總線接口的轉(zhuǎn)化[3]。 關(guān)于VHDL 硬件描述語言硬件描述語言發(fā)展至今已有幾十年的歷史，并已成功地應(yīng)用到系統(tǒng)的仿真、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)、綜合等方面。目前常用的硬件描述語言有AHDL、ABEL、VHDL、Verilog HDL等等。20世紀(jì)80年代后期，美國國防部開發(fā)的VHDL語言(VHSIC Hardware Description Language VHSIC是 Very High Speed Integrated Circuits的縮寫)是IEEE標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，并且已經(jīng)成為系統(tǒng)描述的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，得到眾多EDA公司的支持。VHDL語言覆蓋面廣，描述能力強(qiáng)，能支持硬件的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、綜合和測(cè)試，是一種多層次的硬件描述語言。其設(shè)計(jì)描述可以是描述電路具體組成的結(jié)構(gòu)描述，也可以是描述電路功能的行為描述。這些描述可以從最抽象的系統(tǒng)級(jí)直到最精確的邏輯級(jí)，甚至門級(jí)。運(yùn)用VHDL語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)一般采用自頂向下分層設(shè)計(jì)的方法，首先從系統(tǒng)級(jí)功能設(shè)計(jì)開始，對(duì)系統(tǒng)高層模塊進(jìn)行行為描述和功能仿真。系統(tǒng)的功能驗(yàn)證完成后，將抽象的高層設(shè)計(jì)自頂向下逐級(jí)細(xì)化，直到與所用可編程邏輯器件相對(duì)應(yīng)的邏輯描述。VHDL語言還可以描述與工藝有關(guān)的信息，工藝參數(shù)可以通過設(shè)計(jì)文件語言參數(shù)來調(diào)整，不會(huì)因工藝變化與發(fā)展而使VHDL設(shè)計(jì)過時(shí)。因此，VHDL設(shè)計(jì)的生命周期與其他設(shè)計(jì)方法相比是最長(zhǎng)的[4]。 2 I2C總線的介紹I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線產(chǎn)生于在80年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。例如管理員可對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行查詢，以管理系統(tǒng)的配置或掌握組件的功能狀態(tài)，如電源和系統(tǒng)風(fēng)扇。可隨時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。 I2C總線概述I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本?？偩€的長(zhǎng)度可高達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持40個(gè)組件。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控[5]。I2C總線使用兩根信號(hào)線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一根是串行數(shù)據(jù)線(SDA)，另一根是串行時(shí)鐘線(SCL)。它允許若干兼容器件(如存儲(chǔ)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，以及LED、LCD驅(qū)動(dòng)器等)共享總線。I2C總線上理論上可以允許的最大設(shè)備數(shù)，是以總線上所有器件的電容總和不超過400pF為限(其中包括連線本身的電容和與它連接端的引出電容)，總線上所有器件要依靠SDA發(fā)送的地址信號(hào)尋址，不需要片選線。任何時(shí)刻總線只能由一個(gè)主器件控制，各從器件在總線空閑時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送，由I2C總線仲裁來決定哪個(gè)主器件控制總線。 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俾蕿?00Kbps，標(biāo)準(zhǔn)速率為100Kbps。SDA與SCL為雙向I/O線，都是開漏極端(輸出1時(shí)，為高阻抗?fàn)顟B(tài))。因此I2C總線上的所有設(shè)備的SDA、SCL引腳都要外接上拉電阻。 I2C總線工作原理⑴ 總線的構(gòu)成及信號(hào)類型 I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信
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