DS4830的多地址I2C總線從機(jī)模塊設(shè)計(jì)

摘要：為了使Maxim公司的光微控制器DS4830滿足光收發(fā)模塊SFF-8472協(xié)議(光收發(fā)器件動(dòng)態(tài)診斷監(jiān)控接口協(xié)議)中的多I2C總線從機(jī)地址的要求，根據(jù)DS4830內(nèi)部I2C總線主從模塊及集成開發(fā)環(huán)境IAR的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了DS4830作為I2C總線從機(jī)的硬件及軟件。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)滿足SFF-8472協(xié)議中關(guān)于I2C總線從機(jī)的要求。
關(guān)鍵詞：光微控制器；DS4830；I2C總線從機(jī)；SFF-8472

引言
經(jīng)過(guò)十幾年不懈努力，我國(guó)已經(jīng)成為光纖、光纜、光器件和光收發(fā)模塊的制造大國(guó)，特別是在光收發(fā)模塊領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，光收發(fā)模塊正朝著小型化、高速率、低功耗、長(zhǎng)距離方向發(fā)展。特別是高速率方向，從最初的10 Mbps、100 Mbps、1 000 Mbps，到10 Gbps、40 Gbps、100 Gbps。其對(duì)內(nèi)部使用的微控制器提出越來(lái)越高的要求。不僅僅對(duì)微處理器的處理速率有要求，而且對(duì)微處理器外圍功能模塊如ADC、DAC、TEC(Thermoeleetric Cooler)等處理性能的要求也越來(lái)越高。針對(duì)此，Maxim公司針對(duì)光通信行業(yè)特殊應(yīng)用及功能要求，定制設(shè)計(jì)了一款采用低功耗、16位MAXQ20核的微控制器，其提供了完備的光控、校準(zhǔn)及監(jiān)測(cè)方案，主要應(yīng)用于XFP(10 Gbps小型可插撥式模塊)、SFP(小型可插撥式模塊)、SFP+(增強(qiáng)型小型可插撥式模塊)、QSFP(4通道小型可插撥式模塊)、40／100 Gbps光收發(fā)器、GPON(Gigabit無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)模塊)、10GEPON(10 Gbps以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)模塊)、XPON(下一代無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)模塊)等產(chǎn)品上。
DS4830有如下特性：
①16位MAXQ20核，RISC指令集，標(biāo)準(zhǔn)Harvard結(jié)構(gòu)。無(wú)須借助指令流水線即可實(shí)現(xiàn)全部指令的單周期指令的執(zhí)行。
②36 K字Flash程序存儲(chǔ)器，4 K字ROM程序存儲(chǔ)器，1K字?jǐn)?shù)據(jù)RAM。
③10路PWM通道(BOOST／BUCK DC／DC控制，支持4路TECC H—Bridge控制)。
④最多26路輸入的ADC，分辨率達(dá)13位。
⑤8路DAC通道(12位電壓型DAC)。
⑥31路GPIO引腳。
⑦內(nèi)置溫度傳感器。
⑧可屏蔽的中斷源。
⑨內(nèi)部20 MHz的晶振，可支持133 MHz外部晶振。
⑩支持I2C總線及JTAG BootLoader。
低功耗設(shè)計(jì)，在所有模擬模塊使能情況下，功耗僅為16 mA。
在光通信行業(yè)中，I2C總線是主要的通信接口，無(wú)論是應(yīng)用于光收發(fā)還是PON類產(chǎn)品，均要求DS4830作為I2C總線的從機(jī)時(shí)，要滿足SFF-8472協(xié)議。SFF-8472協(xié)議是一個(gè)關(guān)于光學(xué)器件的數(shù)字監(jiān)控方面的多元協(xié)議，主要應(yīng)用于光收發(fā)模塊行業(yè)，定義其基本的A0H和A2H的MEMORY MAP(地址映射表)，即DS4830要滿足SFF-8472協(xié)議，其能響應(yīng)兩個(gè)I2C總線從機(jī)地址：0xA0、0xA2。其中，0xA0定義了一個(gè)256字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)器，定義了接口形式、速率、生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)日期等信息，0xA2同樣定義了一個(gè)256字節(jié)的EEPROM，包括了光收發(fā)器的一些實(shí)時(shí)監(jiān)控參量(如溫度、電壓、發(fā)端BIAS電流、發(fā)端光功率、收端光功率)報(bào)警門限及報(bào)警標(biāo)志。

1 硬件設(shè)計(jì)
DS4830有兩個(gè)I2C總線接口，主I2C總線接口和從I2C總線接口。其中，主I2C總線接口使用MSDA(PIN24)、MSCL(PIN26)這兩個(gè)引腳。從I2C總線接口使用SDA(PIN3)、SCL(PIN2)這兩引腳。SFF-8472協(xié)議要求光收發(fā)器有兩個(gè)I2C總線從地址，即微控制器要響應(yīng)兩個(gè)I2C總線從地址，但由于DS4830主從I2C總線模塊接口只能響應(yīng)一個(gè)I2C總線地址，需要將主I2C總線接口設(shè)置為從I2C總線模式，并且在硬件上需要將這兩個(gè)I2C總線接口相連即MSDA與SDA相連作為SDA線，MSCL與SCL相連作為SCL線。
同時(shí)，根據(jù)I2C總線協(xié)議可知，每條總線線路的電容負(fù)載Cb在標(biāo)準(zhǔn)模式下最大為400 pF，而DS4830這兩個(gè)I2C總線接口引腳的電容負(fù)載CBIN典型值僅為5 pF，兩條總線并在一齊，電容負(fù)載也僅為10 pF。另外，針對(duì)光收發(fā)模塊的I2C總線上是不會(huì)存在許多I2C總線從器件，故這樣的總線相連，不會(huì)影響其I2C總線的電氣特性。

2 FIRMWARE設(shè)計(jì)
2．1 開發(fā)環(huán)境
在FIRMWARE設(shè)計(jì)中，開發(fā)環(huán)境為IAR公司的Embedded Workbench For MAXQ 2．40版本。
DS4830內(nèi)部的主I2C總線模塊的寄存器共5個(gè)，說(shuō)明如下：
①主I2C總線控制寄存器(I2CCN_M)。寄存器地址為M1[0CH]，其功能主要有I2C總線工作模式的主從設(shè)置，I2C總線的Clock Stretching和I2C總線的TIMEOUT功能相同，都是使能和關(guān)閉。
②主I2C總線狀態(tài)寄存器(I2CST_M)。寄存器地址為M1[01H]，功能是顯示各種I2C總線操作時(shí)序的狀態(tài)位。
③主I2C總線中斷使能寄存器。地址為M1[02H]，控制各種I2C總線中斷源的使能。
④主I2C總線數(shù)據(jù)寄存器(I2CBUF_M)。寄存器地址為M1[00H]，它是I2C總線上的數(shù)據(jù)寄存器，一級(jí)緩沖、發(fā)送、接收于一體。
⑤主I2C總線地址寄存器(I2CSLA_M)。寄存器地址為M1[0FH]，功能是設(shè)置響應(yīng)的從I2C總線地址。
2．2 從I2C總線模塊寄存器
從I2C總線模塊寄存器如下：
①?gòu)腎2C總線控制寄存器。寄存器地址為M2[0CH]，寄存器名稱為I2CCN_S。
②從I2C總線狀態(tài)寄存器。寄存地址為M2[01H]，寄存器名稱為I2CST_S。
③從I2C總線中斷使能寄存器。寄存地址為M2[02H]，寄存器名稱為I2CIE_S。
④從I2C總線數(shù)據(jù)寄存器。寄存器地址為M2[00H]，寄存器名稱I2CBUF_S。
⑤從I2C總線地址寄存器。寄存器地址為M2[0FH]，寄存器名稱為I2CSLA_S。
2．3 cstarup．s66文件
DS4830共提供了13個(gè)寄存器的模式，其分為外圍寄存器和系統(tǒng)寄存器兩部分。其中，外圍寄存器包括有6個(gè)模式(模式0～模式5)，主I2C總線相應(yīng)的寄存器在模式1，從I2C總線的相應(yīng)寄存器在模式2，故在設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序中，必須訪問(wèn)不同模式下的寄存器。這必須修改cstartup．s66文件，該文件類似于Keil C51中的STARTUP文件，但是不同于Keil，在創(chuàng)建項(xiàng)目的時(shí)候，集成編譯器自動(dòng)添加一個(gè)STARTUP啟動(dòng)文件，而且這個(gè)文件直接列在項(xiàng)目表上，讓人一目了然。但I(xiàn)AR IDE中，如果沒(méi)有在項(xiàng)目?jī)?nèi)人為加入cstartup．s66啟動(dòng)文件，則使用系統(tǒng)默認(rèn)目錄下的默認(rèn)cstartup．s66文件。
另外，由于DS4830中斷機(jī)制只使用一個(gè)中斷向量，所有中斷的優(yōu)先級(jí)別相同。在中斷全局使能的情況下，每當(dāng)一個(gè)中斷響應(yīng)后，程序跳轉(zhuǎn)到cstartup．s66區(qū)，根據(jù)中斷標(biāo)志判斷不同的中斷源，并跳轉(zhuǎn)進(jìn)入其相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。為了加快I2C總線響應(yīng)速率，需將I2C總線中斷的優(yōu)先級(jí)提到最高，通過(guò)將主從I2C總線中斷服務(wù)程序(cstartup．s66文件中的INTERRUPT2)修改到所有中斷程序的第一位，即將I2C總線中斷入口判斷變?yōu)楸４娆F(xiàn)場(chǎng)后的第一個(gè)判斷。
修改cstartup．s66中斷部分代碼如下：



2．4 中斷服務(wù)程序
中斷服務(wù)程序流程圖如圖1所示。

2．5 偽代碼(Pseudo Code)
初始化函數(shù)略——編者注。
(1)Clock stretching機(jī)制
作為從I2C總線器件，有一個(gè)關(guān)鍵的特性就是Clockstretching，即當(dāng)從器件不及時(shí)接收或發(fā)送完整的數(shù)據(jù)時(shí)，從器件會(huì)將SCL線拉低，強(qiáng)迫I2C總線主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)，直到從器件準(zhǔn)備好相應(yīng)的數(shù)據(jù)后才釋放SCL總線。由于DS4830內(nèi)核是20 MHz時(shí)鐘，但其指令時(shí)鐘僅為10MHz，要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)100 kHz的I2C總線時(shí)鐘速率，必須在軟件控制Clock stretching時(shí)，即在初始化時(shí)使能Clockstretching使能位I2CSTREN。IAR生成的中斷服務(wù)程序的LIST文件部分略——編者注。
DS4830中斷響應(yīng)時(shí)間分為3部分：
①CPU響應(yīng)4個(gè)指令周期。
②cstartup執(zhí)行最多10個(gè)指令周期。
③中斷服務(wù)程序執(zhí)行壓棧部分16個(gè)指令周期。
這樣算下來(lái)進(jìn)行中斷程序未對(duì)I2C總線寄存器進(jìn)行處理前已有30個(gè)指令周期時(shí)間，即30×0．1μs=3．0μs。要達(dá)到100 kHz的I2C總線速率，按占空比50％計(jì)算，低電平為5μs，故不考慮上升下降沿的時(shí)間，留給中斷服務(wù)程序的時(shí)間僅有2μs去處理I2C總線寄存器和相應(yīng)SFF-8472協(xié)議EEPROM要求。這是相當(dāng)困難的，所以盡量提高I2C總線速率，使能Clock stretching。
實(shí)際驗(yàn)證中，當(dāng)I2C總線模塊不使能Clock stretching后，上位機(jī)(I2C總線主機(jī))對(duì)DS4830 0xA0地址的3種I2C總線讀操作為：當(dāng)前讀、頁(yè)讀、單字節(jié)讀，其讀出的結(jié)果均為0xA1。原因即是I2C總線主機(jī)發(fā)送到從器件的I2C總線地址值為0xA1(讀模式)，在SCL時(shí)鐘低電平期，真正要發(fā)送的數(shù)據(jù)還未送到數(shù)據(jù)寄存器(I2C_BUF)，此時(shí)數(shù)據(jù)寄存器中仍為接收到的地址值。SCL高電平來(lái)到，直接將這個(gè)值移位出了數(shù)據(jù)寄存器送到I2C總線上，如圖2所示。

(2)SMBus Timeout機(jī)制
SMBUS(System Management Bus)，是1995年Intel公司提出的，最初設(shè)計(jì)應(yīng)用于移動(dòng)PC和桌面PC系統(tǒng)中的低速率通信。它與I2C總線電氣及協(xié)議定義上類似，但在速率、超時(shí)錯(cuò)誤、邏輯電平和總線協(xié)議上有所區(qū)別。DS4830主機(jī)I2C總線模塊是使用兼容I2C總線協(xié)議，并引入SMBUS超時(shí)錯(cuò)誤功能，使用一個(gè)30 ms的定時(shí)器，當(dāng)總線SCL低電平超過(guò)這個(gè)時(shí)間后，觸發(fā)TIMEOUT中斷，以釋放I2C總線，避免I2C總線的鎖死。由于各種公司的I2C總線兼容協(xié)議可能存在一些差異，各種時(shí)序，包括一些非法或錯(cuò)誤的時(shí)序都有可能在總線上出現(xiàn)，所以使用TIMEOUT機(jī)制來(lái)避免I2C總線死鎖是相當(dāng)有效和實(shí)用的。DS4830使能TIMEOUT功能，通過(guò)I2CCN_S(M)控制寄存器的SMB_MOD置位來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論
本文通過(guò)介紹DS4830相應(yīng)主從I2C總線模塊接口的寄存器，利用IAR編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)了I2C總線從器件操作，并滿足SFF-8472協(xié)議對(duì)多從機(jī)地址的要求。系統(tǒng)的上位機(jī)發(fā)出各種常規(guī)的I2C總線讀操作及寫操作均正常。該方法已應(yīng)用于SFP+ZR、QSFP產(chǎn)品中，并得到客戶系統(tǒng)驗(yàn)證，I2C總線可靠、穩(wěn)定。