手机市场是如今全球最热门的电子产品市场之一,各式各样的手机板型和多元化的手机功能,在为手机市场带来丰厚的利润的同时,也为手机的设计提出了巨大的挑战。如今,解决手机主体与机盖之间的连接线过多的问题,已经成为设计的一大难点。采用串行总线的连接方式,为这一问题的解决提供了一个可行的方案,因此,端口扩展器芯片随之诞生。本文以端口扩展器芯片的设计为基础,详细讨论了基于I2C总线的端口扩展器的低功耗、小面积的优化设计。全文从端口扩展器的核心模块I2C接口控制模块入手,深入研究了接口控制模块中状态机的原理及其优化设计,提出了一种多时钟周期状态机的设计方法,该方法采用移位寄存器计数来控制状态转移,利用移位寄存器结构灵活的特点,达到简化状态,优化状态机性能的目的。在此基础上,成功设计了一种优化的接口控制模块状态机。该状态机与传统的I2C接口状态机相比,其状态数减少为四个,同时,优化的状态机复用了I2C接口中用于数据转换的移位寄存器代替传统的计数器来控制状态转移,从而减少了模块中单元数目,将I2C控制模块的面积降低了30%,功耗也降低了10%。最后在优化设计接口模块的基础上,本文设计了一款带有脉宽调制功能的端口扩展器芯片,本芯片除了能作为通用端口使用外,还提供了两组可选择脉宽调制波形控制LED。输出波形频率范围为40Hz到0.15625Hz,有效脉宽范围为0%到99.6%。输出波形的频率和有效脉宽都有256种不同值可供编程。