《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MCU的低功耗I2C總線控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
電子技術(shù)應(yīng)用
王芬芬，劉夢影，林玉成，楊金燁
中科芯集成電路有限公司
摘要： 為加強(qiáng)I2C（Inter-Integrated Circuit）總線控制器的IP（Intellectual Property）復(fù)用性和IP應(yīng)用廣泛性，設(shè)計(jì)了一種低功耗I2C總線控制器。該總線控制器集成于MCU（Microcontroller Unit）系統(tǒng)中，不僅能夠滿足I2C總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而且能夠喚醒處于低功耗模式的系統(tǒng)，使芯片恢復(fù)正常工作。對采用的低功耗技術(shù)、I2C的通信功能和低功耗功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹。對設(shè)計(jì)的I2C總線控制器進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，分析表明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了I2C總線協(xié)議的通信，并能夠喚醒低功耗系統(tǒng)，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。
關(guān)鍵詞： 復(fù)用性 I2C 低功耗 MCU
中圖分類號：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244914
中文引用格式： 王芬芬，劉夢影，林玉成，等. 基于MCU的低功耗I2C總線控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(9)：77-82.
英文引用格式： Wang Fenfen，Liu Mengying，Lin Yucheng，et al. Design and implementation of a low-power I2C bus controller based on MCU[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(9)：77-82.
Design and implementation of a low-power I2C bus controller based on MCU
Wang Fenfen，Liu Mengying，Lin Yucheng，Yang Jinye
(China Key System & Integrated Circuit Co.， Ltd.
Abstract： To enhance the IP reusability and applicability of the I2C bus controller, this paper presents the design of a low-power I2C bus controller. This bus controller is integrated into the MCU system, not only meeting the I2C bus protocol for communications but also capable of waking up systems in low-power modes, allowing the chip to resume normal operation. The paper introduces the low-power techniques adopted, along with the design and implementation of the I2C communication and low-power functionalities. System simulations of the designed I2C bus controller demonstrate successful implementation of the I2C bus protocol for communication and the ability to wake up low-power systems, meeting the design expectations.
Key words : reusability；I2C；low-power；MCU

引言

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，片上系統(tǒng)(System-on-Chip, SoC)技術(shù)得到了不斷的提高，SoC技術(shù)的概念是將多個(gè)擁有特殊功能的集成電路在一塊芯片上集成[1]。SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗技術(shù)及SoC驗(yàn)證技術(shù)等[2]。此外，隨著現(xiàn)代應(yīng)用的復(fù)雜性和深亞微米技術(shù)[3]的發(fā)展應(yīng)用，SoC提供多樣的通信功能和系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)已然成為芯片設(shè)計(jì)的必然的發(fā)展趨勢，且多樣的通信功能通過集成大量的IP來實(shí)現(xiàn)，因此IP核可復(fù)用技術(shù)、低功耗技術(shù)對芯片設(shè)計(jì)的規(guī)模和性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

通用的通信IP包括USART、SPI、CAN、I2C，USB等。其中，I2C總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式同步串行半雙工通信總線協(xié)議，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，由于其引腳少、可擴(kuò)展性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于SoC領(lǐng)域[4]。近些年，國內(nèi)對于I2C總線控制器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面展開了眾多研究。楊帆[5]通過深入研究APB總線協(xié)議和I2C總線協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種帶APB(Advanced Peripheral Bus)接口的I2C總線控制器，經(jīng)過FPGA驗(yàn)證了該控制器能夠按照協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；陳世淼等[6]提出了一種適用于立方體衛(wèi)星的穩(wěn)定性高的I2C總線的多主多從設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠滿足立方體衛(wèi)星上的星務(wù)計(jì)算機(jī)與其他組件的基本通信需求；王輝[7]針對I2C在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的總線死鎖情況，基于原理分析，總結(jié)出了一種解決方案，有效地提高了該總線設(shè)計(jì)的魯棒性；強(qiáng)小燕等[8]設(shè)計(jì)了一種帶DMA功能的I2C總線接口，通過DMA搬運(yùn)I2C的傳輸數(shù)據(jù)以此來減輕MCU內(nèi)核的工作量。

為滿足不同的應(yīng)用場景和芯片特性要求，自主研制通用的通信總線接口具有重要的應(yīng)用意義[9]。本文基于一款自主研發(fā)的MCU芯片，設(shè)計(jì)了一種低功耗I2C總線控制器，該總線控制器不僅能夠滿足I2C總線協(xié)議，支持主從模式、收發(fā)模式等協(xié)議包括的基本功能，利用本身的通信特性還可喚醒處于低功耗模式下的MCU系統(tǒng)，使芯片恢復(fù)正常工作。


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作者信息：

王芬芬，劉夢影，林玉成，楊金燁

（中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072）


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