主机发完第一个字节后，数据传输方向的变化可能存在三种情况。(1)传输方向不变，如主机向从机写；(2)传输方向改变，如主机从从机读数据；(3)传输方向改变多次，如主机对从机进行多次读写。

　　2 时钟同步与仲裁

　　I2C总线在任何时刻只能有一个主机，当I2C总线同时有两个或更多的器件想成为主机时，就需要进行仲裁；时钟同步的目的就是为仲裁提供一个确定的时钟。时钟SCL的同步和仲裁通过“线与”来执行，SCL的低电平时间取决于低电平时间最长的主机，高电平时间取决于高电平时间最短的主机。

　仲裁过程在数据线SDA线上进行，当SCL为高电平时，如果SDA线上有主机发送低电平，则发送高电平的主机将关闭输出级。因为总线的状态和自身内部不一样，于是发送低电平的主机赢得仲裁。仲裁可以持续多个位，在实际通信过程中，仲裁的第一阶段比较地址位，如果多个主机寻址同一个从机，则继续比较数据位(主机是发送机)或响应位(主机是接收机)。由于I2C总线上的地址和数据由赢得总线的主机决定，因此仲裁过程中不会丢失信息。如果一个主机具有从机功能，则当它失去仲裁时，必须立即切换到从机状态，因为它可能正在被其他主机寻址。

　　3 I2C总线控制器设计

　　I2C总线控制器的主要作用是提供微控制器(μC)和I2C总线之间的接口，为两者之间的通信提供物理层协议的转换。在串行应用系统中，外围器件(如串行E2PROM、LCD、实时钟等)连接在I2C总线上，再通过I2C总线控制器和μC连起来。其典型的应用，如现在许多彩电的控制系统都基于I2C总线。为了使设计清晰明了，本文将控制器的设计分成两部分。一部分为微控制器(μC)接口，另一部分为I2C接口，如图2所示。

　　μC接口部分主要包含状态寄存器(MBSR)、控制寄存器(MBCR)、地址寄存器(MADR)、数据寄存器(MBDR)和地址译码/总线接口模块。状态寄存器指示I2C总线控制器的当前状态，如传输是否完成、总线是否忙等信息。控制寄存器是μC控制I2C总线控制器的主要途径，通过置0/1完成I2C总线控制器使能、中断使能、主/从(Master/Slave)模式选择、产生起始位等操作。地址寄存器保存着I2C总线控制器作为从机时的地址。数据寄存器用于保存接收的数据或是待发送的数据。

I2C接口的核心是主状态机，它控制着整个I2C接口的运作。和I2C总线直接相连的模块有起始/停止位产生模块、I2C Header寄存器、I2C数据寄存器和仲裁及起始/停止位检测模块。当控制器是Master时，起始/停止位产生模块用于在I2C总线上产生起始位和停止位；I2C数据寄存器用于保存总线上传送的数据；仲裁及起始/停止位检测模块的作用是执行仲裁，并检测I2C总线上的起始/停止位，以便为主状态机提供输入。其他模块包括：I2C状态寄存器，用于记录I2C总线的状态；地址比较模块，用于比较总线上传送的地址和本机的从机地址是否一致，如果一致，说明其他主机正在寻址本控制器，控制器必须立即切换到从机状态，同时发出响应位。

　　3.1 μC接口设计

　　μC接口用于连接I2C接口电路和μC，主要实现两者之间的信号交互握手机制。设计时可以用VHDL提供的状态机来描述信号交互机制中的工作状态切换，如图3(a)所示。

　　μC接口电路中使用的四组寄存器的地址是24位的，高16位为I2C总线控制器的基址(MBASE)，占用μC的地址空间，低8位用于区别不同的寄存器。寄存器本身是8位的，图3(b1)为控制寄存器，图3(b2)为状态寄存器。图中示出了每一位的含义。

　　3.2 I2C接口设计

　　I2C接口用于连接μC接口电路和I2C总线，由两个状态机构成：一个是I2C接口主状态机，用于执行发送和接收操作；另一个为“SCL/SDA/ STOP 产生”状态机，当I2C总线控制器为主机时，这个状态机产生SCL/START/STOP信号。

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