两个不同的I2C Slave的比较 (by wind330)

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工作过程中总是不断地运用现有的技术和代码，也不断地在丢弃有缺陷的技术。

I2C总线是平时接触比较多的一种低速IC配置总线，网络上也有很多现成的Core可以提供你修改及应用。

概述

本文对两个来自不同开源网站的I2C Slave IPCore进行对比及分析其优劣性，它们分别是OpenCores' I2C Slave，Gaisler's I2C Slave。重点说明它们将低速的I2C信号转换到FPGA内部高速处理时钟的过程的区别。

特性区别

OpenCores's I2C Slave

• 不支持CPU总线
• 支持256个寄存器配置(8bits地址线)

Gaisler's I2C Slave

• 支持APB总线
• 可配置允许Slave挂住时钟线(Master和Slave的速率同步)

从上面的特性可以看出，OpenCores' I2C Slave适合用于支持I2C配置的外部芯片；Gaisler's I2C Slave则适于用做SOC外设，同带I2C Master器件进行交互式通信。

电路中的亚稳态

这里有一段来自网络上的中文解释：

这是跨时钟设计中最基础的一个问题(宏观的问题是FIFO)，按照我的观察，上论坛问
问题多的一般不明白这个，请一定要注意了。什么是亚稳态？数字电路中的简单双稳
态电路就是两个反相器首尾相连组成（加一些控制逻辑变成了锁存器，触发器），然
而并不像名字显示的，这种电路其实还有第三种半稳定态——就是当两个反相器都处
于中间值的情况——这称之为亚稳态。我们知道反相器在非逻辑值范围的反馈系数是
相当大的，一旦因为干扰或者噪音离开了这个中心点，就会很快地进入逻辑值范围
（稳态）。数学分析，从亚稳态进入稳态，正如放射元素的衰变，是一个指数的规律
（为什么是指数的规律？你要是想不明白，说明你还没有搞明白亚稳态）。那么，亚
稳态的危害到底是什么呢？消耗功率？其实不是（虽然亚稳态消耗很大的功率），亚
稳态的问题在于其电平并不处于有效逻辑电平范围内，而且在变化。这就导致与其相
连其他数字部件将其作出不同的判断（注意，不同），有的作为'1',有的作为'0'，有
的也进入了亚稳态，数字部件就会逻辑混乱。那么究竟如何避免（或者减小）亚稳态
的危险呢？注意到亚稳态的触发器继续停留在亚稳态的几率按照指数减少，那么办法
就是等 ——等足够长的时间，直到这个几率变得小的实际上不会发生。到底需要有多
长呢？有的厂商有一个数据，有的没有，按照普通的做法，至少等一个时钟周期——这
也就是所谓的异步数据要用两个触发器打一下。

参考链接 1 2

I2C信号线的时钟域转换

I2C的常用速率是100kbps或者400kbps，I2C边沿转换的时间可能长达1000ns(Standard-mode)，I2C信号允许有50ns宽度的抖动，所以高速对I2C信号直接两级寄存器消除无法亚稳态。假设当前的用50M高速时钟作为I2C Slave的处理时钟，首先我们需要滤除毛刺，代码如下：

// OpenCores' I2C Slave, Verilog
// debounce sda and scl
always @(posedge clk) begin
  if (rstSyncToClk == 1'b1) begin
    sdaPipe <= {`DEB_I2C_LEN{1'b1}};
    sdaDeb <= 1'b1;
    sclPipe <= {`DEB_I2C_LEN{1'b1}};
    sclDeb <= 1'b1;
  end  else begin
    sdaPipe <= {sdaPipe[`DEB_I2C_LEN-2:0], sdaIn};
    sclPipe <= {sclPipe[`DEB_I2C_LEN-2:0], scl};
    if (&sclPipe[`DEB_I2C_LEN-1:1] == 1'b1)
      sclDeb <= 1'b1;
    else if (|sclPipe[`DEB_I2C_LEN-1:1] == 1'b0)
      sclDeb <= 1'b0;
    if (&sdaPipe[`DEB_I2C_LEN-1:1] == 1'b1)
      sdaDeb <= 1'b1;
    else if (|sdaPipe[`DEB_I2C_LEN-1:1] == 1'b0)
      sdaDeb <= 1'b0;
  end
end
// Gaisler's I2C Slave, VHDL
----------------------------------------------------------------------------
-- Bus filtering
----------------------------------------------------------------------------
for i in 0 to 3 loop
  sclfilt(i) := r.i2ci(i+2).scl;
  sdafilt(i) := r.i2ci(i+2).sda;
end loop;  -- i
if sclfilt = "1111" then v.scl := '1'; end if;
if sclfilt = "0000" then v.scl := '0'; end if;
if sdafilt = "1111" then v.sda := '1'; end if;
if sdafilt = "0000" then v.sda := '0'; end if;

从上述代码可以看到，两个I2C Slave都对I2C信号进行过滤消除抖动，不同的是Opencores' I2C Slave可以通过DEB_I2C_LEN可以通过过滤带宽，而Gaisler's I2C Slave，当处理速度达到80M时，将无法滤除50ns宽度的抖动，再加上建立/保持时间冲突引起的亚稳态，FPGA将无法处理I2C信号。在Opencores' I2C Slave中，在48MHz的处理速度下DEB_I2C_LEN为10，这样可以过滤的脉冲宽度是208ns，但是我有一个疑问：处理时钟在采样I2C信号的边沿跳变时，而边沿跳变长度达到最差情况的1000ns，是否会产生错误的I2C信号？例如在边沿的采样值为20'b11111111110000000000，而I2C SCL刚好处在上升沿情况，如此，SCL多产生一个错误的上升沿。

使用情况

wind330使用过Gaisler's I2C Slave，在75M的处理时钟下，该Slave状态机会锁死在Hold状态挂住SCL信号（大概运行一天时间），当时觉得是外部信号太差造成的，所以没有太在意。如今再看OpenCores' I2C Slave才觉得可能是当时处理时钟频率过高，而本身I2C信号轻微毛刺没有被过滤，发生了状态机错误。

总结

通过阅读上述Core的代码，我们可以知道利用高速时钟信号处理低速的通信接口，需要去抖动处理并且根据建立/保持时间再调整滤波处理后的时钟，保证代码的鲁棒性。