基于Verilog的SMBus總線控制器的設(shè)計與實現(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[1]。應(yīng)用于多μC(microcontroller)通訊系統(tǒng)中，可以滿足絕大多數(shù)情況下對傳輸速率、信號穩(wěn)定性等性能的要求，且相對于并行總線節(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)計方法。該方法將總線控制器用有限狀態(tài)機來實現(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)時鐘等。在整個傳輸過程中，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行。圖1是典型的SMBus總線結(jié)構(gòu)圖。


1.2 SMBus通訊時序

總線上的所有器件都有一個唯一的地址，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，保證在同一時間只有一個主器件在控制總線。

圖2是讀/寫一個字節(jié)的時序格式。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，傳輸由一個開始條件發(fā)起，并由一個結(jié)束條件中止。SDA上的數(shù)據(jù)在SCL高電平時必須保持穩(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高電平時改變SDA的電平，在SCL高電平時，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/寫一個字節(jié)命令格式最為重要。本文所設(shè)計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展，在此略過。

下面分析圖2的時序：

(1)總線空閑時，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7位地址和一個寫位，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)束整個傳輸。

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

1.3 SMBus的總線仲裁

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

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

2 SMBus控制器設(shè)計

本文將SMBus控制器分為兩個模塊：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兩個信號；與μC的接口模塊輸出ADDR[7:0]、DATA[7:0]及若干控制信號。

為了便于μC對控制器的操作，與μC的接口模塊中定義了四個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進行讀寫。

與SMBus的接口模塊又分成下列幾個分模塊：SCL看門狗、開始/結(jié)束信號檢測、仲裁檢測、開始/結(jié)束信號生成、SCL生成狀態(tài)機和主狀態(tài)機等模塊。

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)計中，一旦檢測到SCL下降沿就開始計時，25ms內(nèi)出現(xiàn)上升沿則計數(shù)器清零。在計數(shù)超過時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)。這時會將狀態(tài)寄存器中的BB(Bus Busy)位清零。

SCL生成狀態(tài)機模塊用來控制SCL線。當(dāng)SMBus處于主控模式時，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，可以通過對系統(tǒng)時鐘進行分頻得到。程序中定義了一些常量，如HIGH_COUNT、LOW_COUNT、HOLD等，用來設(shè)定計數(shù)器的上界，這樣不僅使信號頻率滿足要求，而且也滿足了SMBus對信號的一些電氣要求，比如數(shù)據(jù)維持時間、開始結(jié)束信號維持時間等。有了這些量，修改總線頻率也非常方便。

從對圖2時序的分析可以看出，控制器只在有限的幾個狀態(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)機進行設(shè)計是合適的[2]。圖3為SMBus控制器的狀態(tài)機圖示及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的條件。本示意圖是讀/寫一個字節(jié)的狀態(tài)機，是整個狀態(tài)機的主體框架，其它命令格式只需在這個狀態(tài)機上進行簡單的修改即可。

下面以從器件為例分析一下主狀態(tài)機。處于空閑狀態(tài)時，若檢測到開始信號，則進入接收地址狀態(tài)。收完8位后，前7位和內(nèi)部地址寄存器前7位進行比較，若相同則確認(rèn)(拉低SDA)，不同則不響應(yīng)，因為主控找的不是自己。地址相同確認(rèn)后開始接收命令，收完8位后確認(rèn)。然后對命令解碼，根據(jù)命令進入相應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時，確認(rèn)或被確認(rèn)轉(zhuǎn)到結(jié)束狀態(tài)，一個時鐘后返回空閑狀態(tài)[3]。

其它模塊處理一些簡單的事件，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，主器件讀一個字節(jié)，命令為00000111。
用modelsim6.0進行前仿真，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芯片上進行測試，測試結(jié)果一切功能正常。

4 實際應(yīng)用

本文設(shè)計的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。因為這些信息比較特殊，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

(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)時要將雙向口置為高阻態(tài)。

(2)狀態(tài)機采用兩個always塊設(shè)計，一個時序always塊和一個組合always塊。這樣寫不但易于綜合，而且清楚明了，便于實現(xiàn)。

本文采用有限狀態(tài)機的方法，將SMBus控制器分為與SMBus接口的模塊和與μC接口的模塊兩個模塊，從而實現(xiàn)SMBus總線控制器的設(shè)計。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芯片上進行仿真測試，結(jié)果表明該方法是穩(wěn)定有效的。