基于GAL的I2C總線時序模擬

　　FI1200 MK2系列電視信號前端處理器是飛利浦公司專為計算機多媒體環境下的射頻應用而設計的。FI1256 MK2是該系列中的一個型號，它體積小，結構緊湊，性能穩定，可直接從射頻信號解調出視頻信號和音頻信號，且只需單一5V電源，因而可在圖文電視接收、有線電視信號自動監測等許多場合得到廣泛的應用。筆者曾用它開發出圖文電視接收卡、電視信號檢測系統等多種設備。

　　FI1256 MK2可通過I2C串行總線接口進行編程控制。當使用單片機進行編程控制時，帶有I2C接口的單片機可以與FI1256 MK2直接連接，沒有I2C接口的單片機可以用I/O口線模擬I2C總線的時序。但是FI1256 MK2在計算機擴展卡中使用時，為了節省成本，通過計算機的總線直接對其進行編程控制時，就需要用計算機的總線模擬出I2C總線的時序。本文給出了用可編程邏輯器件GAL配合ISA總線模擬I2C總線時序來對FI1256 MK2進行控制的方法。該方法與PCI總線進行模擬的方法相類似。

　　1 I2C總線操作方式

　　I2C總線是被廣泛應用的串行多主控器總線，它可以讓多個有控制總線能力的器件連接到總線上。I2C總線通過串行數據(SDA)和串行時鐘(SCL)兩條線使連接在該總線上的器件進行數據傳輸，每個器件的識別由一特定地址確定。除了作為發送器和接收器外，該器件還可以被設定為主控器和被控器。主控器用于啟動總線上的數據發送，并產生數據傳輸所需的時鐘信號，其他被尋址的器件均認為是被控器。SDA線和SCL線都是雙向傳輸線，它們各通過一個上拉電阻連接到正電源。當總線處于空閑狀態時，兩條線均處于高電平。連接到總線的器件輸出級必須是集電極開路或漏極開路，以用來產生“線與”功能便于多個器件的接入。在標準方式下，I2C總線上的數據傳輸速率可達100kbps，在快速方式下則可達到400kbps。連接到總線上的器件數量只受400pF的總線電容的限制。進行數據傳輸時，SDA線上的數據在SCL為高電平期間必須是穩定的，只有在SCL線上的時鐘信號為低時，數據線上的狀態才可以改變。當SCL線保持高電平時，通常把SDA線上由高到低和由低到高的電平變化分別定義為開始條件和停止條件。主控器啟動數據傳輸時，總是先給出開始條件，然后傳輸若干字節的數據，最后給出停止條件以結束一次數據傳輸過程。圖1是帶有開始和停止條件的只傳輸一個字節的總線時序。

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　　2 模擬I2C總線時序

　　可編程邏輯器件是近二十年發展起來的專用集成電路的一個分支，是設計新型數字系統的理想器件。它不僅速度快，集成度高，而且具有用戶可定義的邏輯功能，有的還可以加密，并可以重復編程，因此，它不僅能適應各種應用需要，而且可以大大簡化硬件系統，降低成本，提高系統的靈活性、可靠性和保密性，所以，近年來得到了迅速的發展。在各種可編程邏輯器件中，以CPLD功能最為強大，但價格較高，使用也較為復雜。而GAL不但有相當強的功能和足夠的靈活性，而且編程控制容易(可使用普通的編程器)，價格很低，接近通用集成電路，故在數字邏輯不是非常復雜的系統中使用GAL是非常合適的。

　　用計算機的ISA總線對FI1256 MK2進行編程控制時，可以將FI1256 MK2作為一個外設，然后用兩根數據線模擬SCL和SDA。需要注意的是：由于計算機速度高，總線周期短，達不到I2C總線的定時要求，因此要在總線周期過后進行延時，這樣總線上出現的高阻狀態或與其它設備的通信數據就會破壞I2C的時序，所以應將SDA和SCL的狀態鎖存，以滿足I2C總線的定時要求。圖2是用GAL實現ISA與I2C接口電路的設計方案。由于對FI1256 MK2的操作一般只是寫入編程控制字節，因此，為簡單起見，該電路只用來實現將計算機作為主控器的寫操作時序。

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　　圖2中，撥碼開關K用以設定作為計算機外設的FI1256 MK2的地址，U1用于計算機訪問外設時地址的譯碼，U2則用于實現用ISA總線的兩條數據線模擬I2C總線時序。下面給出兩片GAL的邏輯方程(以FAST-MAP格式書寫)，并對照方程簡要說明電路所實現的功能。

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　　通過以上方程可使U1完成地址的譯碼功能。當ISA總線上出現的外設地址與撥碼開關設定的地址相匹配時，在其地址有效輸出端ADDR上將得到高電平。由于GAL最多只能有8個或項，所以方程中使用了ADD1和ADD2兩個中間運算結果，他們被當作反饋信號在GAL內部重新引到輸入端。使用AEN信號是為了在DMA周期內屏蔽總線上出現的地址。

　　U2的時鐘信號是由地址ADDR和外設寫信號IOW的引入是為了消除總線上出現訪問內存的信號，同時利用其上升沿鎖存數據。SCL和SDA可分別用數據線D0和D1模擬。當一個外設寫周期過后，D0和D1的數據將鎖存在SDA和SCL上，而在下一個對相同外設地址的外設寫周期到來之前是不變的。這就使得I2C總線的時序可以在D0和D1兩根數據線上通過間隔輸出數據的方式獲得。

　　通過分析圖1給出的數據傳輸格式，可以把傳送的數據流劃分為三種傳送狀態，即傳送起始信號、傳送終止信號和傳送一個字節(后面帶一個應答位)。不同的數據過程只是寫入的數據字節數目不同。只要模擬軟件能實現上述三種傳送狀態，就可以模擬出任何的主控器寫操作過程。因此可以用下列子程序分別實現上述三種傳送狀態。