【正文】 SHANGHAI UNIVERSITY 畢業(yè)設(shè)計（論文） UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS) 題 目 : I178。C Slave Controller 學(xué) 院 理學(xué)院 專 業(yè) 微電子學(xué) 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期 20xx 年 3 月至 6 月 1 目 錄 摘要 2 ABSTRACT 3 緒論 4 第一章 I178。C 總線規(guī)范 5 第一節(jié) I178。C 總線的基本概念 5 第二節(jié) 傳輸與仲裁 7 第三節(jié) 7 位地址格式 13 第二章 I178。C Slave Controller 設(shè)計方案 18 第一節(jié) 概述 18 第二節(jié) 框架圖 18 第三節(jié) 引腳設(shè)置與描述 18 第四節(jié) 功能描述 19 第五節(jié) 傳輸時序圖 21 第三章 I178。C Slave Controller RTL 級 Verilog 代碼設(shè)計 22 第一節(jié) Verilog HDL 介紹 22 第二節(jié) I178。C Slave Controller 的 RTL 級代碼 23 第三節(jié) I178。C Slave Controller 的驗證程序 30 第四章 I178。C Slave Controller 仿真 39 第一節(jié) ModelSim SE 介紹 39 第二節(jié) 使用 ModelSim SE 進(jìn)行仿真與驗證 40 總結(jié) 50 致謝 51 參考文獻(xiàn) 52 2 論文題目 I178。C Slave Controller 摘要 Philips 開發(fā)的 I178。C 總線是一個簡單的雙向兩線總線，能實現(xiàn)有效的 IC 之間控制 , 所有符合 I178。C 總線的器件組合了一個片上接口，使器件之間直接通過 I178。C 總線通訊。因而解決了很多在設(shè)計數(shù)字控制電路時遇到的接口問題。 Wishbone 總線最先是由 Silicon 公司提出，它通過在 IP 核之間建立一個通用接口完成互連。可 以用于在軟核、固核以及硬核之間進(jìn)行互聯(lián)。 它的 優(yōu)勢是處理器核與外設(shè)共享總線。 本文介紹了 I178。C 和 wishbone總線協(xié)議 , 通過設(shè)計一個基于片上系統(tǒng)的 Wishbone總線的 I2C控制器核心與帶外設(shè)的 I2C總線相連接，以達(dá)到總線互聯(lián) 。再 從 I2C 總線入手，通過 Verilog語言對其寄存器堆的 讀寫操作 進(jìn)行編譯 并 編寫測試代碼，使用 ModelSim 軟件進(jìn)行仿真驗證 ， 對設(shè)計的 I2C 控制器 進(jìn)行波形 仿真，驗證了各個模塊的功能和工作狀態(tài)，仿真了執(zhí)行過程和波形輸出的情況。 關(guān)鍵詞： I178。C 總線、 Verilog HDL、 RTL、仿 真 3 ABSTRACT The I178。C Bus which Philips developed is a simple bidirectional 2wire bus for efficient interIC control. All I178。C bus patible devices incorporate an onchip interface which allows them to municate directly with each other via the I2Cbus. This design concept solves the many interfacing problems encountered when designing digital control circuits. The paper inroduces the basic knowledge of I178。C bus specificaiton and the I178。C slave controller specification. The I178。C slave controller RTL code and testbench have been designed in Verilog HDL, It is verified by simulations using Modelsim. Keywords: I178。C Bus、 Verilog HDL、 RTL 、 Simulation 4 緒論 說明 在消費者電子電訊和工業(yè)電子中，看上去不相關(guān)的設(shè)計里經(jīng)常有很多相似的地方。為了使這些相似之處對系統(tǒng)設(shè)計者和器件廠商都得益，而且使硬件效益最大電路最簡單， Philips 開發(fā)了一個簡單的雙向兩線總線，實現(xiàn)有效的 IC 之間控制。這個總線就稱為 Inter IC 或 I178。C 總線。這個設(shè)計概念解決了很多在設(shè)計數(shù)字控制電路時遇到的接口問題，使設(shè)計人員和廠商都得益。 而另一方面由于如今集成電路大規(guī)模、高密度、高速度的需求，芯片的集成度和設(shè) 計的復(fù)雜度都大大增加，芯片的集成密度已達(dá)到一百萬個晶體管以上，使電子設(shè)計愈來愈復(fù)雜。為使如此復(fù)雜的芯片變得易于人腦的理解，用一種高級語言來表達(dá)其功能性而隱藏具體實現(xiàn)的細(xì)節(jié)是很必要的 萬門以上的設(shè)計需要制定一套新的方法就是采用硬件描述語言。Verilog HDL 語言提供非常簡潔、可讀性很強的句法，使用 Verilog HDL語言已經(jīng)成功地設(shè)計了許多大規(guī)模的硬件。 本文主要介紹并討論使用 Verilog HDL 語言 設(shè)計出一個通用性較強的I178。C Slave Controller 的問題， 并搭建一套仿真環(huán)境，用 ModelSim SE 對所設(shè)計的 IP 進(jìn)行仿真，驗證該 IP 能夠?qū)崿F(xiàn)其功能，能夠與 I178。C Master Controller 進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸。 本文第一章講述的是 I178。C 總線規(guī)范，第二章講述了 I178。C Slave Controller的規(guī)范設(shè)計 ，第三章講述了 I178。C Slave Controller 的 RTL 級設(shè)計，第四章則對所設(shè)計 I178。C Slave Controller 進(jìn)行仿真驗證。 5 第一章 I178。C 總線規(guī)范 第一節(jié) I178。C 總線的基本概念 一、 I178。C 總線規(guī)范的產(chǎn)生 對于面向 8 位的數(shù)字控制應(yīng)用來說，需要建立如下一些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)： 1. 一個完整的系統(tǒng)通常由至少一個微控制器和其他外圍器件 2. 系統(tǒng)中不同器件的連接成本必須最小 3. 執(zhí)行控制功能的系統(tǒng)不要求高速的數(shù)據(jù)傳輸 4. 總的效益由選擇的器件和互連總線結(jié)構(gòu)的種類決定 系統(tǒng)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)需要串行的總線結(jié)構(gòu)，雖然串行總線的數(shù)據(jù)傳輸速度無法與并行總線相比，但它們只要很少的配線和 IC 連接管腳。而總線除了包括互連線以外，還包含系統(tǒng)通訊的所有格式和過程。串行總線的器件之間的通訊必須有某種形式的協(xié)議以避免所有的數(shù)據(jù)遺失、妨礙信息及錯亂的可能性?？焖倨骷仨毮芎吐倨骷ㄓ崱Ｏ到y(tǒng)不能基于所連接的器件，否則無法進(jìn)行修改 或改進(jìn)。應(yīng)當(dāng)設(shè)計一個過程決定哪些器件何時可以控制總線。而如果有不同時鐘速度的器件連接到總線，則必須定義總線的時鐘源。以上所有這些標(biāo)準(zhǔn)都在 I178。C 總線的規(guī)范之中。 二、 I178。C 總線的概念 6 I178。C總線術(shù)語的定義： ? 發(fā)送器 : 發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的器件 ? 接收器 : 從總線接收數(shù)據(jù)的器件 ? 主機 : 初始化發(fā)送產(chǎn)生時鐘信號和終止發(fā)送的器件 ? 從機 : 被主機尋址的器件 ? 多主機 : 同時有多于一個主機嘗試控制總線但不破壞報文 ? 仲裁 : 是一個在有多個主機同時嘗試控制總線但只允許其中一個控 制總線并 使報文不被破壞的過程 ? 同步 : 兩個或多個器件同步時鐘信號的過程 I178。C 總線支持任何 IC 生產(chǎn)工藝 ,兩線――串行數(shù)據(jù)線 SDA 和串行時鐘線SCL 都是雙向線路 ,在連接到總線的器件間傳遞信息。 SDA 和 SCL 都是通過一個電流源或著上拉電阻連接到正的電源電壓，當(dāng)總線空閑時這兩條線路都是高電平，連接到總線的器件輸出級必須是漏極開路或集電極開路才能執(zhí)行線與的功能。 連接到 I178。C 總線上的每個器件都有一個唯一的地址識別，而且都可以作為一個發(fā)送器或接收器。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時也可以被看作是主機或從 機。主機是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r鐘信號的器件。此時，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機。 I178。C 總線 傳輸數(shù)據(jù)的過程如下： 1)假設(shè)微控制器 A 要發(fā)送信息到微控制器 B： ? 微控制器 A（主機）尋址微控制器 B（從機） 7 ? 微控制器 A （主機 — 發(fā)送器）發(fā)送數(shù)據(jù)到微控制器 B（從機 — 接收器） ? 微控制器 A 終止傳輸 2)如果微控制器 A 想從微控制器 B 接收信息： ? 微控制器 A（主機）尋址微控制器 B（從機） ? 微控制器 A（主機 — 接收器）從微控制器 B（從機 — 發(fā)送器）接收數(shù)據(jù) ? 微控制器 A 終止傳輸 由于 I178。C 總線是一個多主機的總線?？梢赃B接多于一個能控制總線的器件到總線，其意味著超過一個主機可以同時嘗試初始化傳輸數(shù)據(jù)。為了避免由此產(chǎn)生混亂，發(fā)展出一個仲裁過程。它依靠線與連接所有 I178。C 總線接口到I178。C 總線。如果兩個或多個主機嘗試發(fā)送信息到總線，在其他主機都產(chǎn)生“ 0 ”的情況下首先產(chǎn)生一個“ 1” 的主機將丟失仲裁。 I178。C 總線上數(shù)據(jù)的傳輸速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá) 100kbit/s ，在快速模式下可達(dá) 400kbit/s ，在高速模式下可達(dá) 。而連接到總線的接口數(shù)量只由總線電容是 400pF 的限制決定。