《電子技術應用》
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基于MCU的低功耗I2C總線控制器設計與實現(xiàn)
電子技術應用
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I2C（Inter-Integrated Circuit）總線控制器的IP（Intellectual Property）復用性和IP應用廣泛性，設計了一種低功耗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)，使芯片恢復正常工作。對采用的低功耗技術、I2C的通信功能和低功耗功能的設計與實現(xiàn)進行了介紹。對設計的I2C總線控制器進行了系統(tǒng)仿真，分析表明該設計實現(xiàn)了I2C總線協(xié)議的通信，并能夠喚醒低功耗系統(tǒng)，滿足設計預期。
關鍵詞： 復用性 I2C 低功耗 MCU
中圖分類號：TN402 文獻標志碼：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總線控制器設計與實現(xiàn)[J]. 電子技術應用，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

隨著半導體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，片上系統(tǒng)(System-on-Chip, SoC)技術得到了不斷的提高，SoC技術的概念是將多個擁有特殊功能的集成電路在一塊芯片上集成[1]。SoC設計的關鍵技術包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協(xié)同設計技術、低功耗技術及SoC驗證技術等[2]。此外，隨著現(xiàn)代應用的復雜性和深亞微米技術[3]的發(fā)展應用，SoC提供多樣的通信功能和系統(tǒng)低功耗的設計已然成為芯片設計的必然的發(fā)展趨勢，且多樣的通信功能通過集成大量的IP來實現(xiàn)，因此IP核可復用技術、低功耗技術對芯片設計的規(guī)模和性能產(chǎn)生至關重要的影響。

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備，由于其引腳少、可擴展性強，被廣泛應用于SoC領域[4]。近些年，國內(nèi)對于I2C總線控制器的設計和應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，設計了一種帶APB(Advanced Peripheral Bus)接口的I2C總線控制器，經(jīng)過FPGA驗證了該控制器能夠按照協(xié)議進行數(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總線的多主多從設計，該設計能夠滿足立方體衛(wèi)星上的星務計算機與其他組件的基本通信需求；王輝[7]針對I2C在實際應用中經(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計的魯棒性；強小燕等[8]設計了一種帶DMA功能的I2C總線接口，通過DMA搬運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用意義[9]。本文基于一款自主研發(fā)的MCU芯片，設計了一種低功耗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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