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论文题目摘要Philips开发的Fc总线是一个简洁的双向串行总线，能实现有效的IC之间限制，全部符合FC总线的器件组合了一个片上接口，使器件之间干脆通过FC总线通讯。因而解决了很多在设计数字限制电路时遇到的接口问题。WiShbone总线最先是由SiliCOn公司提出，它通过在IP核之间建立一个通用接口完成互连，优势是处理器核与外设共享总线。本文介绍了Fc总线和WiShbOne总线协议，通过设计一个基于片上系统的Wishbone总线的C限制器核心与带外设的总线相连接，从而达到总线互联通信的目的。从IC总线入手，通过VerilOg语言对其寄存器堆的读写操作进行编译并编写测试代码，运用ModeISim软件进行仿真验证，对设计的IC限制器进行波形仿真，验证了各个模块的功能和工作状态，仿真了执行过程和波形输出的状况。关键词：PC总线、WiShbOne总线、寄存器、Verilog语言、波形仿真AbstractWiththedevelopmentofmicroelectricandEDA(electronicdesignautomation)technology,FPGA(fieldprogrammablegatesarray)canrealizethefunctionofdigitalcircuitsystemdesign.FPGAhavethemeritoffiledprogrammabilityandHighintegrationrate,thereforeishighlyrecognizedforengineering.I2Cbusiswidelyappliedinthedigitalsystemassimpleinterface,expedientuse,lowcostandgoodexpansibility.VHD1.isconsideredasacoreofdigitalsystemdesignandakeytechniqueofimplementdigitalsystem.ThedesignrealizesthefunctionofI2CbusinterfaceontheFPGA.AtfirstthethesisdeeplyresearchI2Cbusspecification,thenbrieflyintroducetheQuartusIIdesignenvironmentandthedesignmethod,aswellasFPGAdesignflow.Inthisfoundation,I2CbuscontrollerdesignschemeandthetimingsimulationunderQuartusIIisparticularlyintroduced.KeywordsQuartusIIJ2Cbuscontroller;FPGA;timingsimulation摘要错误!未定义书签。AbstractII第1章绪论51.1 课题背景51.2 I2C总线的产生及发展61.3 FPGA的现状与展望61.4 相关工作6第2章I2C总线技术的探讨82.1 I2C总线的概念82.2 12C总线的传输错误!未定义书签。2.2.1 数据的有效性102.2.2 I2C总线数据传送的起先和停止条件112.2.3 12C总线传输过程中的应答信号112.2.4 I2C总线数据传送的重复起先条件112.2.5 12C总线的传输过程中的字节格式132.2.6 I2C总线的器件子地址182.2.7 12C总线传输信号的时序192.3 本章小结22第3章VHD1.语言的基础学问233.1 VHD1.语言的概述233.2 VHD1.语言的特点233.3 VHD1.语言的程序结构243.3.1 VHD1.程序的库243.3.2 包集合243.3.3 实体说明253.3.4 构造体263.3.5 酉己置263.4 本章小结26第4章设计工具和设计方法274.1 设计工具274.2 基于FPGA的数字电路的设计流程284.3 本章小结29第5章I2C总线的功能设计315.1 12C总线完成的功能315.2 用VHD1.语言实现写操作时的串行转并行325.3 用VHD1.语言实现依次读操作时的并行转串行325.4 I2C总线限制器的顶层设计335.5 本章小结34第6章I2C总线的硬件时序仿真356.1 器件的选择356.2 硬件仿真366.2.1 用VHD1.语言实现写字节周期376.2.2 用VHD1.语言实现依次读字节周期386.2.3 用VHD1.语言实现选择性读字节周期386.3 本章小结39结论40致谢41参考文献42第1章绪论1.1 课题背景近年来，随着社会的发展，电子产品越来越多的进入人们的生活和工作中，成为了我们生活中必不行少的一部分，随着计算机的普及，以及电子设备之间相互沟通的更加频繁，为了更便利的实现器件与器件之间的通信，研发人员发觉消费者电子电讯和工业电子中，看上去不相关的设计里常常有很多相像的地方。为了使这些相像之处对系统设计者和器件厂商都得益，而且使硬件效率最大、电路最简洁，Philips开发了一个简洁的双向串行总线，实现有效的IC之间限制，这个总线就称为InterlC或RC总线。随着超大规模集成电路的快速发展，半导体工业进入微米时代。随着集成亿万个晶体管的片上系统变得多见，设计困难性随之不断增加，因而设计要求也越来越高。如何进行总线之间的互联成为了迫切须要解决的问题。开发者们起先运用基于片上系统的IP设计方法进行片上系统总线与其他总线互联。他们研发了很多Wishbone总线的兼容IP核，我们通过设计I2C限制器把I2C总线和Wishbone总线相联以进行相互通信。另一方面，由于如今集成电路大规模、高密度、高速度的需求，芯片的集成度和设计的困难度都大大增加，芯片的集成密度已达到一百万个晶体管以上，使电子设计愈来愈困难。为使如此困难的芯片变得易于人脑的理解，用一种高级语言来表达其功能性而隐藏具体实现的细微环节是很必要的，万门以上的设计须要制定一套新的方法就是采纳硬件描述语言。VerilogHD1.是一种硬件描述语言，是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。Verilog语言供应特别简洁、可读性很强的句法，运用Verik)g语言已经胜利地设计了很多大规模的硬件。1.2 Wishbone总线的特点及应用Wishbone总线最先是由Silicon公司提出，现在己被移交给C)PenCoreS组织维护，它通过在IP核之间建立一个通用接口完成互连。可以用于在软核、固核以及硬核之间进行互联。Wishbone规范具有如下特点：它是一个轻量级的规范,接口简洁紧凑,接口须要的互联逻辑特别少；它支持用户定义的标签。完整的一般数据传输总线协议，相对于其他的IP核接口规范来说，Wishbone接口规范具有简洁、开放、高效、利于实现等特点而且完全免费，并没有专利爱护。基于上述优点，因此采纳Wishbone总线进行接口设计。WISHBONE地址和数据位都是32位(假如小于32位也可以进行通信)，最多可以连接8个主设备，16个从设备，当多个主设备申请限制时，通过仲裁机制确定什么时候哪个主设备能访问共享总线。Wishbone总线支持的互联类型1,点对点互联2,共享总线互联3,十字交叉互联4,基于交换的互联结构Wishbone支持的数据操作1,单次读/写操作;2,块读/写操作;3,读改写(RMW)操作；1.3 PC总线的发展和基本特征l2C(lnter-IntegratedCirC3t)总线是一种由PHI1.IPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微限制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年头，最初为音频和视频设备开发，之后又经过多次的修改，成为近年来在微电子通信限制领域广泛采纳的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，限制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上，通过地址来识别通信对象。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering),其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够限制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。基本特征： 只要求两条总线线路一条串行数据线(SDA);一条串行时钟线(SC1.). 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和始终存在的简洁的主机/从机关系软件设定地址；主机可以作为主机发送器或主机接收器. 它是一个真正的多主机总线假如两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbiVs,快速模式下可达400kbits,高速模式下可达3.4Mb计/s 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波保证数据完整 连接到相同总线的IC数量只受到总线的最大电容400PF限制1.4 相关工作为了设计基于wishbone设备的I2C总线限制器。首先要深化探讨总线和WiShbOne总线的协议规范，分析它们之间的差异。本课题设计了一个主/从模式结构，使ControllerIP与Wishbone总线相联，并通过I2C总线输出得到结果。在Modelsim平台上，对设计进行波形仿真，验证设计结果。第2章Pc总线技术的具体探讨2.1FC总线的概念I2C总线是一种比较流行的总线，它的接受和发送在同一条数据线上。I2C由串行数据（SDA）和串行时钟（SC1.）两根线构成的。总线上允许连接的设备数主要确定于总线上的电容量，一般设定为400pf以下。PC总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kbit/s,在快速模式下可达400kbits,在高速模式下可达3.4Mbits0SDA和SC1.都是双向总线，它们都通过上拉电阻连接到电源上。当总线处于停止（ID1.E）状态，两根线都是高电平。对于Pc总线来说，总线上连接的设备，例如1.CD驱动器、存储器等都是有一个唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器。至于是作为发送器还是接收器，主要取决于连接设备的具体功能。例如1.CD驱动只是一个接收器，而存储器则既可以接受又可以发送数据。除了发送器和接收器外，设备在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机。主机是初始化总线的数据传输，并产生允许传输的时钟信号的设备，这时任何被寻址的期间都被认为是从机。由于总线运用两线的硬件接口简洁，FC总线的应用越来越广泛山。下面，将I2C总线的通用术语进行介绍，如表21所示；Pc总线的典型接法如图2-1所示。术语发送器主机从机Vdd主机从机表2-112c总线的通用术语描述发送数据到总线的器件从总线接收数据的期间初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件被主机寻址的器件多主机同时有多于一个主机尝试限制总线，但不破坏报文仲裁是一个在有多个主机同时尝试限制总线，但只允许其中一个限制总线并使报文不被破坏的过程同步两个或多个器件同步时钟信号的过程图2-1Pc总线信号连接示意图PC总线支持任何IC生产工艺,两线一一串行数据线SDA和串行时钟线SC1.都是双向线路,在连接到总线的器件间传递信息。SDA和SC1.都是通过一个电流源或着上拉电阻连接到正的电源电压，当总线空闲时这两条线路都是高电平，连接到总线的器