基于Verilog的SMBus總線控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

SMBus是Intel公司于1995年發(fā)布的一種雙向兩線串行通訊總線標(biāo)準(zhǔn)，具有接口線少、通訊效率高等特點(diǎn)[1]。應(yīng)用于多μC(microcontroller)通訊系統(tǒng)中，可以滿足絕大多數(shù)情況下對(duì)傳輸速率、信號(hào)穩(wěn)定性等性能的要求，且相對(duì)于并行總線節(jié)省了大量的硬件資源。因此多μC通訊系統(tǒng)采用SMBus總線來實(shí)現(xiàn)是一種很好的解決方案。

本文提出一種基于Verilog的SMBus總線控制器的設(shè)計(jì)方法。該方法將總線控制器用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，并將其應(yīng)用于基于PCI-Express技術(shù)的橋接芯片中。通過仿真測(cè)試，證明該方法是穩(wěn)定有效的。

1 SMBus規(guī)范分析

1.1 SMBus總線結(jié)構(gòu)

SMBus由兩根總線即串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)構(gòu)成。主要應(yīng)用于主從系統(tǒng)。主器件控制總線操作，包括開始/結(jié)束傳輸、發(fā)送信息并產(chǎn)生SMBus總線系統(tǒng)時(shí)鐘等。在整個(gè)傳輸過程中，所有的傳送都通過主控的SCL來同步。為使總線有“線與”功能，所有器件的SMBus接口都必須是漏極開路或集電極開路的，并且通過上拉電阻使總線在空閑狀態(tài)下為高電平狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)能使不同速度的器件同步運(yùn)行。圖1是典型的SMBus總線結(jié)構(gòu)圖。


1.2 SMBus通訊時(shí)序

總線上的所有器件都有一個(gè)唯一的地址，且都可以工作在傳送或接收方式。因此，有四種工作模式，即主發(fā)送、主接收、從發(fā)送和從接收。SMBus總線還具有總線仲裁功能，保證在同一時(shí)間只有一個(gè)主器件在控制總線。

圖2是讀/寫一個(gè)字節(jié)的時(shí)序格式。圖中白色塊是主器件控制SDA線，灰色塊是從器件控制SDA線，SCL線一直都由主器件控制。由圖可見，傳輸由一個(gè)開始條件發(fā)起，并由一個(gè)結(jié)束條件中止。SDA上的數(shù)據(jù)在SCL高電平時(shí)必須保持穩(wěn)定，不允許有電平跳變；SDA電平只有在SCL低電平時(shí)才可以改變。開始條件和結(jié)束條件是特殊的，可以在SCL高電平時(shí)改變SDA的電平，在SCL高電平時(shí)，開始條件是把SDA從高電平拉到低電平，而結(jié)束條件則把SDA從低電平拉到高電平。開始條件和結(jié)束條件的這種定義方法可以避免電平與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)相混淆。

SMBus協(xié)議定義了十二種傳輸命令格式，其中以讀/寫一個(gè)字節(jié)命令格式最為重要。本文所設(shè)計(jì)的控制器主要用這兩種命令格式，所以本文主要分析這兩種格式，其它的與之類似，可以很容易地加以擴(kuò)展，在此略過。

下面分析圖2的時(shí)序：

(1)總線空閑時(shí)，SCL和SDA保證為高電平，等待開始條件。
(2)主控產(chǎn)生開始條件，表明要發(fā)起傳輸。
(3)主控傳送一個(gè)7位地址和一個(gè)寫位，指定目標(biāo)器件和寫方式。
(4)目標(biāo)器件應(yīng)答。
(5)主控傳送一個(gè)8位Command Code，指定本次操作類型。
(6)目標(biāo)器件應(yīng)答。
(7)如果是write byte，主控直接傳送1byte數(shù)據(jù)；如果是read byte，則要產(chǎn)生restart條件，后跟目標(biāo)地址和一個(gè)讀位，然后開始接收目標(biāo)數(shù)據(jù)。
(8)由接收方應(yīng)答。
(9)主控發(fā)出結(jié)束條件，結(jié)束整個(gè)傳輸。

在SMBus上傳輸?shù)拿恳粋€(gè)數(shù)據(jù)包包括8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)確認(rèn)位，所以需要9個(gè)SCL時(shí)鐘。主控確認(rèn)位時(shí)釋放總線，由從器件來驅(qū)動(dòng)SDA。

1.3 SMBus的總線仲裁

一個(gè)主控開始一個(gè)傳輸時(shí)并不知道是否還有其它主控也想進(jìn)行傳輸。當(dāng)CLK為高電平時(shí)將在SDA線上進(jìn)行仲裁。當(dāng)一個(gè)主控發(fā)送高電平而有其它的主控發(fā)送低電平時(shí)，這個(gè)主控將失去總線控制權(quán)。

如果一個(gè)主控同時(shí)具有檢測(cè)目標(biāo)器件的功能，那當(dāng)它失去總線控制權(quán)時(shí)，它仍將檢測(cè)總線上實(shí)際傳送的地址，以確定掌握總線控制的主控進(jìn)行操作的目標(biāo)。

2 SMBus控制器設(shè)計(jì)

本文將SMBus控制器分為兩個(gè)模塊：與SMBus的接口模塊和與μC的接口模塊。與SMBus的接口模塊輸出SDA和SCL兩個(gè)信號(hào)；與μC的接口模塊輸出ADDR[7:0]、DATA[7:0]及若干控制信號(hào)。

為了便于μC對(duì)控制器的操作，與μC的接口模塊中定義了四個(gè)8位寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器(DR)、地址寄存器(AR)、狀態(tài)寄存器(SR)和控制寄存器(CR)。DR存放傳送或接收的數(shù)據(jù)；AR存放控制器的本地地址；SR存放當(dāng)前控制器的狀態(tài)；CR存放控制器配置和操作命令。SR是只讀的，其它寄存器都可以被μC進(jìn)行讀寫。

與SMBus的接口模塊又分成下列幾個(gè)分模塊：SCL看門狗、開始/結(jié)束信號(hào)檢測(cè)、仲裁檢測(cè)、開始/結(jié)束信號(hào)生成、SCL生成狀態(tài)機(jī)和主狀態(tài)機(jī)等模塊。

看門狗模塊用來處理SMBus協(xié)議規(guī)定的正常SCL和SDA不可以出現(xiàn)的兩種情況：

(1)SCL低電平超過25ms。一旦超過，所有器件必須重置。在本設(shè)計(jì)中，一旦檢測(cè)到SCL下降沿就開始計(jì)時(shí)，25ms內(nèi)出現(xiàn)上升沿則計(jì)數(shù)器清零。在計(jì)數(shù)超過時(shí)限則把控制寄存器中的RESET位置位。

(2)SCL和SDA高電平超過50ms。一旦超過，所有器件都認(rèn)為總線處于空閑狀態(tài)。這時(shí)會(huì)將狀態(tài)寄存器中的BB(Bus Busy)位清零。

SCL生成狀態(tài)機(jī)模塊用來控制SCL線。當(dāng)SMBus處于主控模式時(shí)，它就要在傳輸期間一直控制SCL線。SCL的頻率可以從10kHz到100kHz不等，可以通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到。程序中定義了一些常量，如HIGH_COUNT、LOW_COUNT、HOLD等，用來設(shè)定計(jì)數(shù)器的上界，這樣不僅使信號(hào)頻率滿足要求，而且也滿足了SMBus對(duì)信號(hào)的一些電氣要求，比如數(shù)據(jù)維持時(shí)間、開始結(jié)束信號(hào)維持時(shí)間等。有了這些量，修改總線頻率也非常方便。

從對(duì)圖2時(shí)序的分析可以看出，控制器只在有限的幾個(gè)狀態(tài)之間控制轉(zhuǎn)換，所以在與SMBus接口的模塊中采用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)是合適的[2]。圖3為SMBus控制器的狀態(tài)機(jī)圖示及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件。本示意圖是讀/寫一個(gè)字節(jié)的狀態(tài)機(jī)，是整個(gè)狀態(tài)機(jī)的主體框架，其它命令格式只需在這個(gè)狀態(tài)機(jī)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可。

下面以從器件為例分析一下主狀態(tài)機(jī)。處于空閑狀態(tài)時(shí)，若檢測(cè)到開始信號(hào)，則進(jìn)入接收地址狀態(tài)。收完8位后，前7位和內(nèi)部地址寄存器前7位進(jìn)行比較，若相同則確認(rèn)(拉低SDA)，不同則不響應(yīng)，因?yàn)橹骺卣业牟皇亲约?。地址相同確認(rèn)后開始接收命令，收完8位后確認(rèn)。然后對(duì)命令解碼，根據(jù)命令進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)，確認(rèn)或被確認(rèn)轉(zhuǎn)到結(jié)束狀態(tài)，一個(gè)時(shí)鐘后返回空閑狀態(tài)[3]。

其它模塊處理一些簡(jiǎn)單的事件，在此從略。

3 仿真

(1)從器件地址為1110010，主器件寫11001101，寫一個(gè)字節(jié)，命令為00000110。
(2)從器件地址為1110010，內(nèi)部數(shù)據(jù)為10001100，主器件讀一個(gè)字節(jié)，命令為00000111。
用modelsim6.0進(jìn)行前仿真，波形圖如圖4所示。
從仿真結(jié)果上看，總線波形滿足SMBus總線的時(shí)序要求(符合圖2的格式)。
用Altera公司的quartus II 4.0綜合后，下載到Altera ep1k30 FPGA芯片上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果一切功能正常。

4 實(shí)際應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的SMBus總線控制器應(yīng)用于PCI-EXPRESS橋接芯片中，框圖如圖5所示。

在芯片初使化階段，外圍器件需要向橋接芯片的配置表內(nèi)寫入關(guān)于外圍器件的一些屬性(attribute)，這樣橋接芯片才能正常工作。因?yàn)檫@些信息比較特殊，所以用SMBus總線傳輸比較合適，而這正是在該芯片中應(yīng)用SMBus控制器的原因。

5 注意事項(xiàng)

(1)SDA和SCL都定義為雙向口，既要接收數(shù)據(jù)也要發(fā)送數(shù)據(jù)。在雙向口的使用上，要注意讀數(shù)據(jù)時(shí)要將雙向口置為高阻態(tài)。

(2)狀態(tài)機(jī)采用兩個(gè)always塊設(shè)計(jì)，一個(gè)時(shí)序always塊和一個(gè)組合always塊。這樣寫不但易于綜合，而且清楚明了，便于實(shí)現(xiàn)。

本文采用有限狀態(tài)機(jī)的方法，將SMBus控制器分為與SMBus接口的模塊和與μC接口的模塊兩個(gè)模塊，從而實(shí)現(xiàn)SMBus總線控制器的設(shè)計(jì)。并將其應(yīng)用于PCIPCI-EXPRESS橋接芯片中，通過軟件及在altera公司的 ep1k-30 FPGA芯片上進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明該方法是穩(wěn)定有效的。