基于I2C接口EEPROM讀寫控制器設計

楊　帆（貴州大學　大數據與信息工程學院，貴州　貴陽　550025）

基于I2C接口EEPROM讀寫控制器設計

楊帆
（貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽550025）

簡單介紹I2C總線協議，用Altera公司的FPGA（現場可編程門陣列）芯片設計I2C總線接口控制器，用于控制EEPROM（帶電可擦寫可編程只讀存儲器）的讀寫操作。

I2C總線；FPGA；EEPROM

0　引言

隨著電子技術快速發展，有許多的IC需要相互之間進行通信。為此，Philips公司開發了一種性能優越的雙向兩線串行總線I2C（Inter-Integrated Circuit）總線。進行FPGA設計時經常需要與外圍提供I2C接口的芯片進行通信，雖然市場上有專門的I2C總線接口芯片，但是大多性能指標固定、功能單一、使用不方便。根據I2C總線協議和其電路的電氣特性，在Altera公司的EP4CE10F17C8N型號的FPGA芯片上可以方便地實現I2C總線接口，進而實現EEPROM的讀寫操作。

1　I2C總線原理概述

I2C總線有兩條串行總線，一條是串行時鐘線（SCL），一條是串行數據線（SDA），連接到總線上的每個器件既可以作為發送器又可以作為接收器，且每個器件都有唯一的地址識別。主機主要負責產生時鐘、初始化發送和終止發送等操作。從機則是被主機尋址的器件。典型的連接在I2C總線上的器件有LCD、EEPROM等?？偩€的啟動信號條件是當SCL為高電平時，SDA由高變為低；停止條件是當SCL為高電平時，SDA電平由低變高。數據的變化只能發生在SCL為低電平期間［1］。

2　EEPROM讀寫控制器模塊的設計與實現

在進行數據傳輸時，讀寫控制器首先產生一個啟動信號（當SCL為高電平時，SDA由高變為低），接著發送控制字（即I2C總線器件的特征編碼和3bit EEPROM的芯片地址）以及寫狀態R/W位為0到總線上。這里的總線器件特征碼為1010，而3bit EEPROM的芯片地址為000。接著主控制器釋放總線，等待EEPROM發出的應答信號，由于采用的EEPROM型號是24LC64，因此在控制器收到應答后，將首先發送EEPROM高字節的存儲單元地址，當控制器再次收到應答后繼續發送EEPROM低字節的存儲單元地址，當控制器再次收到應答后，判斷是讀還是寫，如果是寫操作，則控制器發送數據字節，并把數據寫入被尋址的存儲單元，EEPROM再次發送應答信號，讀寫控制器收到應答信號后，產生停止信號。如果之前判斷出是讀操作，則控制器會在收到應答后產生一個重復起始條件，緊接著寫入讀控制字10100001，這里的最后一位1表示讀操作，前面的1010000和之前說的一樣，是器件特征編碼1010和3bit EEPROM芯片地址000。當控制器再次收到應答后會產生一個釋放總線的動作，把總線留給EEPROM，控制器負責接收EEPROM發出的數據。當控制器接收完數據后會占用總線，并發出一個非應答信號，表示數據收到，最后控制器再產生停止信號，停止本次傳輸。模塊的主狀態機如圖1所示。

圖1　讀寫控制器主狀態機

這里寫入的地址是2B的地址，且分兩次寫，因為此EEPROM的地址是16bit的。

2.1控制器的總線時鐘SCL產生

由于FPGA開發板的時鐘是50MHz，這里先將輸入的50MHz時鐘進行分頻產生400kHz時鐘，利用400kHz的時鐘去產生總線時鐘SCL。具體方法是：在400kHz時鐘的下降沿對SCL進行翻轉操作，這樣能很好地實現I2C總線時序要求。這里生成的SCL是200kHz時鐘。其Verilog代碼如下：

時序圖如圖2所示。

圖2　讀寫控制器時序圖

由圖2可知，在SCL為高電平時，SDA由高變低會產生一個開始信號，而在SCL為高電平時，SDA由低變高會產生一個停止信號，而數據的改變只能在SCL為低電平期間發生，在SCL為高電平時，數據要保持穩定。數據采樣時使用400kHz時鐘的上升沿采樣，并且是在SCL為高電平時才能采數據，因為這時的數據穩定。

2.2I2C總線數據輸入輸出

電路的輸出采用三態數據通路設計，如圖3所示。

圖3　三態數據通路結構

其Verilog代碼如下：

由圖3可知，sda的I/O類型為 inout，當開關link_sda為1時，讀寫控制器上的數據可以發送到sda上，實現控制器占用總線進行寫操作，當link_sda為0時，輸出為高阻態，而此時外部的sda上的數據可以讀進來，實現了控制器釋放總線，將總線交由從機EEPROM，進而可將EEPROM發出的數據讀進來［2］。

數據的輸出涉及并串轉換，因為數據寄存器中的數據是8bit，而I2C總線上傳輸的數據sda為1bit，其Verilog代碼如下：

設計采用循環移位的方式將8bit的并行data數據一位一位地移到sda_buf線上送出去。

相反，I2C總線數據的輸入涉及串轉并操作，Verilog代碼如下：

3　仿真驗證

仿真平臺的搭建如圖4所示。

圖4　EEPROM讀寫控制器驗證電路框圖

由圖4可知，電路的仿真驗證模塊分為I2C接口控制器模塊、ROM模塊、地址發生器模塊、按鍵模塊、EEPROM模塊和數碼管顯示模塊。其中，按鍵模塊用于產生I2C接口控制器的讀寫操作信號；地址發生器模塊用于產生ROM和I2C接口控制器的地址信息；ROM模塊中事先存儲了一定量的數據，并將這些數據發送給I2C接口控制器，用來寫入EEPROM；I2C接口控制器負責EEPROM的讀寫操作；數碼管顯示模塊負責將讀寫控制器從EEPROM中讀出的數據顯示出來，用來查看數據是否正確。

電路的仿真波形如圖5、圖6所示。

圖5　控制器寫EEPROM

圖6　控制器讀EEPROM

由圖5可知，在寫EEPROM操作時，讀寫控制器在開始信號后首先寫入1B的控制字10100000（前面的1010是器件特征碼，000表示EEPROM的芯片地址，最后一位0表示寫操作），緊接著控制器釋放總線，等待EEPROM給它的應答。因為仿真只是模擬，并沒有接入EEPROM，所以應答位呈現高阻態。在應答的后面就是高字節的地址，等到再次收到應答信號時，控制器繼續發送低字節的地址位。這里的地址為0000_0000_0000_0000，共2B，等再次收到應答信號時，控制器會發送單字節的數據0000_0001，將其寫入相應的存儲空間上。收到來自EEPROM的應答后，控制器產生停止信號，結束操作。圖6是控制器讀EEPROM操作，它與寫操作不同的是在寫入控制字和高低字節地址后，控制器會產生新的啟動信號，緊接著寫入1010_0001，最后的1表示是讀操作，這時控制器會釋放總線，等收到應答后繼續釋放總線，以讀取EEPROM中的數據；1B的數據收完后，控制器產生一個非應答信號并緊接著產生停止信號，表示讀數據任務結束。

4　結論

利用I2C總線協議設計出EEPROM讀寫控制器，與專用的I2C接口芯片相比，有配置靈活、使用方便、可移植性強的特點，除了滿足EEPROM的讀寫操作，還可滿足其他I2C總線器件的讀寫要求。電路仿真完成后，在FPGA上成功實現EEPROM的讀寫操作，通信正常，滿足要求。

［1］Philips Semiconductors.The I2C-bus Specification Version 2.1［Z］.2000.

［2］夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2013.

圖5　系統驗證測試平臺

運行時指令SRAM和數據DPRAM會同時發生故障，導致主機失效。本文選用4種程序進行試驗，分別為遞歸（Fibonacci，FI）、快速排序（Quick Sort，QS）、矩陣乘（Matrix Multiplication，MM）和快速傅里葉變換（Fast FourierTransform，FFT）。同時向 指令 SRAM和數據DPRAM中注入1 480 000次故障，主機平均會有475次失效，在這些失效中平均會有452次被檢測到并處理，其可靠性相對不加EDAC時顯著提高。

表1　SRAM與DPRAM同時注入故障數據（次）

5　結論

本文研究了EDAC的主要原理和實現，針對ARINC 659總線控制器的體系結構與特點，將［40，32］EDAC模塊嵌入數據DPRAM和指令SRAM中，用來糾正1bit錯位和檢驗2bit錯誤。該設計嵌入在FPGA中，與傳統的利用糾錯芯片硬件電路相比，簡化了電路，能快速地實現ARINC 659總線控制器的糾錯檢錯，有效降低了單粒子翻轉效應對存儲器的影響，提升系統的整體性能。

參考文獻

［1］付劍.星載計算機的硬件容錯設計與可靠性分析［D］.長沙：國防科技大學，2009.

［2］張喜民，魏婷.ARINC659容錯數據總線測試驗證系統研制［J］.西安電子科技大學學報（自然科學版），2011，38（6）：140－145.

［3］劉淑芬.崔星.計算機RAM檢錯糾錯電路的設計與實現［J］.航天控制，2003（4）：59-67.

［4］賈文濤，張春元，付劍，等.一種高可靠雙機備份星載計算機的設計與實現［C］.第六屆中國測試會議，2010.7.

（收稿日期：2014-12-24）

作者簡介：

丁志平（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統設計與應用。

Based on the I2C interface EEPROM read and write controller design

Yang Fan
（College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The Inter-Integrated Circuit（I2C）bus protocol is introduced briefly.Using Field－Programmable Gate Array（FPGA）chip of Altera Company to design I2C bus interface controller to control Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory（EEPROM）read and write operations.

I2C bus；FPGA；EEPROM

TN495

A

1674-7720（2015）10-0022-03

2014-12-25）

楊帆（1987-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：微電子科學與工程。E-mail：yangfan2010@yeah.net。