原创 I2C与SMBus之间的技术差异

 2019-2-27 15:47  1906 17 17 分类: MCU/ 嵌入式

关于I2C与SMBus，许多人很少去谈论与了解两者的细节差异，包括很多国外的简报，文章也经常将两者混写、交杂描述、交替运用。
确实，在一般运用下，I2C Bus与SMBus没有太大的差别，从实际接线上看也几乎无差异，甚至两者直接相连多半也能相安无误地正确互通并运作。不过若真要仔细探究，其实还是有诸多不同，如果电子设计工程师不能明辨两者的真实差异，那么在日后的开发设计的验证纠错阶段必然会产生困扰，为此本文将从各层面来说明I2CBus与SMBus的细微区别，期望能为各位带来些许帮助。
运用背景、版本演进之别
首先从规格的制订背景开始，I2C是在设计电视应用时所研发的界面，首版于1992 年发表；而SMBus（System Management Bus）则是Intel与Duracell（金顶电池）共同制订笔记本电脑所用的智能型电池（Smart Battery）时所研发的接口，首版于1995 年发表，不过SMBus文件中也提及，SMBus确实是参考自I2C，并以I2C为基础所衍生成。
I2C起源于电视设计，但之后朝通用路线发展，各种电子设计都有机会用到I2C；而SMBus则在之后为PC所制订的先进组态与电源管理接口（AdvancedConfiguration & Power Interface；ACPI）规范中成为基础的管理讯息传递接口、控制传递接口。
虽然I2C与SMBus先后制订时间不同，但都在2000年左右进入成熟化改版，I2C的过程改版以加速为主要诉求，而SMBus以更切合Smart Battery及ACPI的需求为多。
I2C三次主要改版：
1992 年v1.0
1998 年v2.0
2000 年v2.1
SMBus三次主要改版：
1995 年v1.0
1998 年v1.1
2000 年v2.0

电气特性差异：逻辑电平定义、限流、相关限制
I2C的Hi/Lo逻辑电平有两种认定法：相对认定与绝对认定，相对认定是依据Vdd的电压来决定，Hi为0.7Vdd，Lo为0.3Vdd，绝对认定则与TTL 准位认定相同，直接指定Hi/Li电压，Hi为3.0V，Lo为1.5V。相对的SMBus只有绝对认定，且电平与I2C有异，Hi为2.1V，Lo为0.8V，与I2C不全然吻合但也算部分交集。
不过，SMBus后来也增订一套更低电压的电平认定，Hi为1.4V，Lo为0.6V，这是为了让运用SMBus的装置能更省成本的作法。
了解电压后再来是电流，由于SMBus一开始就是运用在笔记本电脑内，所以省电的表现优于I2C，只需100uA就能维持工作，I2C却要到3mA同样的低用电特性也反应在漏电流（Leakage Current）的要求上，I2C最大的漏电流为10uA，SMBus为1uA，但是1uA似乎过度严苛，使运用SMBus的装置在验证测试时耗费过多的成本与心力，因此之后的SMBus 1.1版放宽了漏电流上限，最高可至5uA。
再者是相关限制，I2C有线路电容的限制，SMBus却没有，但也有相类似的配套规范，即是电平下拉时的电流限制，当SMBus的集电极开路Pin导通而使线路接地时，流经接地的电流不能高于350uA，另上电流（即相同的集电极开路Pin开路时）也一样有规范，最小不低于100uA，最高也是不破350uA的。
既然对电流有限制，那么也可容易地推断对上拉电阻的阻值之范围要求，I2C 在5V Vdd时当大于1.6kohm，在3V Vdd时当大于1kohm，类似的SMBus于5V Vdd时当大于14kohm，3V Vdd时当大于8.5kohm，不过这个定义并非牢不可破，就一般实务而言，在SMBus上也可用2.4k〜3.9kohm范畴的阻值。
附注：I2C的时钟线称SCK或SCL，数据线称SDA。SMBus的时钟线称SMBCLK，数据线称SMBDAT。

I2C与SMBus 在逻辑位准的电压定义不尽相同，基本上I2C的定义较为宽裕、弹性，而SMBus 则更专注在省电方面的要求。
时序差别与考验
物理层面的空间要求完后，再来就是物理层面的时间，即是时序（Timing）方面的差别。
先以运作频率来说，I2C此方面相当宽裕，最低频可至0Hz（直流状态，等于时间暂停），高可至100kHz（Standard Mode）、400kHz（Fast Mode）、乃至3.4MHz（High Speed Mode），相对的SMBus就很局限，最慢不慢于10kHz，最快不快于100kHz。很明显的，I2C与SMBus的交集运作频率即是10kHz〜100kHz间。
用于笔记本电脑的电池管理或PC组态管理、用电管理的SMBus，很容易体会不需要更高运作频率的理由，只要传递小数据量的监督信息、控制指令本就不用过于高速，而朝向广泛运用的I2C自然希望用更高的传输以应对各种可能的需求。然而大家可能会疑惑，为何SMBus有最低速的要求？何不放宽到与I2C相同的无最低速限制呢？

写原创有奖励！2025面包板原创奖励正在进行中