DS4830的多地址I2C總線從機(jī)模塊設(shè)計※

潘 冬

（成都?xì)W飛凌通訊科技有限公司，成都 610043）

引 言

經(jīng)過十幾年不懈努力，我國已經(jīng)成為光纖、光纜、光器件和光收發(fā)模塊的制造大國，特別是在光收發(fā)模塊領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展。目前，光收發(fā)模塊正朝著小型化、高速率、低功耗、長距離方向發(fā)展。特別是高速率方向，從最初的10Mbps、100Mbps、1 000Mbps，到10Gbps、40Gbps、100Gbps。其對內(nèi)部使用的微控制器提出越來越高的要求。不僅僅對微處理器的處理速率有要求，而且對微處理器外圍功 能模 塊如 ADC、DAC、TEC（Thermoelectric Cooler）等處理性能的要求也越來越高。針對此，Maxim公司針對光通信行業(yè)特殊應(yīng)用及功能要求，定制設(shè)計了一款采用低功耗、16位MAXQ20核的微控制器，其提供了完備的光控、校準(zhǔn)及監(jiān)測方案，主要應(yīng)用于XFP（10Gbps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）、40／100Gbps光收發(fā)器、GPON（Gigabit無源光網(wǎng)絡(luò)模塊）、10GEPON（10Gbps以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)模塊）、XPON（下一代無源光網(wǎng)絡(luò)模塊）等產(chǎn)品上。

DS4830有如下特性：

① 16位MAXQ20核，RISC指令集，標(biāo)準(zhǔn)Harvard結(jié)構(gòu)。無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。

② 36K字Flash程序存儲器，4K字ROM程序存儲器，1K字?jǐn)?shù)據(jù)RAM。

③ 10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。

⑤ 8路DAC通道（12位電壓型DAC）。

⑥ 31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20MHz的晶振，可支持133MHz外部晶振。

⑩ 支持I2C總線及JTAG BootLoader。

? 低功耗設(shè)計，在所有模擬模塊使能情況下，功耗僅為16mA。

在光通信行業(yè)中，I2C總線是主要的通信接口，無論是應(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，要滿足SFF－8472協(xié)議。SFF－8472協(xié)議是一個關(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I2C總線從機(jī)地址：0xA0、0xA2。其中，0xA0定義了一個256字節(jié)的EEPROM存儲器，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256字節(jié)的EEPROM，包括了光收發(fā)器的一些實(shí)時監(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）報警門限及報警標(biāo)志。

1 硬件設(shè)計

DS4830有兩個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I2C總線從地址，即微控制器要響應(yīng)兩個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，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400pF，而DS4830這兩個I2C總線接口引腳的電容負(fù)載CBIN典型值僅為5pF，兩條總線并在一齊，電容負(fù)載也僅為10pF。另外，針對光收發(fā)模塊的I2C總線上是不會存在許多I2C總線從器件，故這樣的總線相連，不會影響其I2C總線的電氣特性。

2 FIRMWARE設(shè)計

2.1 開發(fā)環(huán)境

在FIRMWARE設(shè)計中，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，說明如下：

① 主I2C總線控制寄存器（I2CCN＿M(jìn)）。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(jìn)）。寄存器地址為M1[01H]，功能是顯示各種I2C總線操作時序的狀態(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(jìn)）。寄存器地址為M1[00H]，它是I2C總線上的數(shù)據(jù)寄存器，一級緩沖、發(fā)送、接收于一體。

⑤ 主I2C總線地址寄存器（I2CSLA＿M(jìn)）。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I 2C總線模塊寄存器

從I2C總線模塊寄存器如下：

① 從I2C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)計中斷服務(wù)程序中，必須訪問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)目的時候，集成編譯器自動添加一個STARTUP啟動文件，而且這個文件直接列在項(xiàng)目表上，讓人一目了然。但I(xiàn)AR IDE中，如果沒有在項(xiàng)目內(nèi)人為加入cstartup.s66啟動文件，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)制只使用一個中斷向量，所有中斷的優(yōu)先級別相同。在中斷全局使能的情況下，每當(dāng)一個中斷響應(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)先級提到最高，通過將主從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)場后的第一個判斷。

修改cstartup.s66中斷部分代碼如下：？isr：

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，有一個關(guān)鍵的特性就是Clock stretching，即當(dāng)從器件不及時接收或發(fā)送完整的數(shù)據(jù)時，從器件會將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20MHz時鐘，但其指令時鐘僅為10 MHz，要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)100kHz的I2C總線時鐘速率，必須在軟件控制Clock stretching時，即在初始化時使能Clock stretching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。

圖1 中斷服務(wù)程序流程圖

DS4830中斷響應(yīng)時間分為3部分：

① CPU響應(yīng)4個指令周期。

② cstartup執(zhí)行最多10個指令周期。

③ 中斷服務(wù)程序執(zhí)行壓棧部分16個指令周期。

這樣算下來進(jìn)行中斷程序未對I2C總線寄存器進(jìn)行處理前已有30個指令周期時間，即30×0.1μs＝3.0μs。要達(dá)到100kHz的I2C總線速率，按占空比50%計算，低電平為5μs，故不考慮上升下降沿的時間，留給中斷服務(wù)程序的時間僅有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DS4830 0xA0地址的3種I2C總線讀操作為：當(dāng)前讀、頁讀、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），此時數(shù)據(jù)寄存器中仍為接收到的地址值。SCL高電平來到，直接將這個值移位出了數(shù)據(jù)寄存器送到I2C總線上，如圖2所示。

圖2 I 2 C總線時序圖（讀部分）

（2）SMBus Timeout機(jī)制

SMBUS（System Management Bus），是1995年Intel公司提出的，最初設(shè)計應(yīng)用于移動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、超時錯誤、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超時錯誤功能，使用一個30ms的定時器，當(dāng)總線SCL低電平超過這個時間后，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，各種時序，包括一些非法或錯誤的時序都有可能在總線上出現(xiàn)，所以使用TIMEOUT機(jī)制來避免I2C總線死鎖是相當(dāng)有效和實(shí)用的。DS4830使能TIMEOUT功能，通過I2CCN＿S（M）控制寄存器的SMB＿M(jìn)OD置位來實(shí)現(xiàn)。

偽代碼程序略——編者注。

結(jié) 論

本文通過介紹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。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] Maxim Integrated Products.DS4830datasheet[EB／OL].[2012－09].http：／／datasheets.maximintegrated.com／en／ds／DS4830.pdf.

[2] Maxim Integrated Products.DS4830Optical Microcontroller User's Guide[EB／OL].[2012－09].http：／／pdfserv.maximintegrated.com／en／an／UG5484.pdf.

[3] Maxim Integrated Products.MAXIM Integrated application Note 3960[EB／OL].[2012－09].http：／／china.maximintegrated.com／app－notes／index.mvp／id／3960.

[4] NXP Semiconductors.THE I2C－BUS SPECIFICATION VERSION 2.1JANUARY 2000[EB／OL].[2012－09].http：／／www.classic.nxp.com／acrobat＿download2／literature／9398／39340011.pdf.