KA_IX

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详解SMBus总线,及其与I2C总线的区别

2020-7-13 11:11:47 显示全部楼层
本文主要介绍SMBus总线。

SMBus(System Management Bus)是Intel与Duracell(金顶电池)共同制定的接口,首版于1995年发表,参考I2C接口。
SMBus是一种二线制串行总线(还有两根可选信号线SMBSUS#(系统低功耗挂起状态指示)、SMBALERT#(事件提醒)),它大部分基于I2C总线规范。和I2C一样,SMBus可以不增加额外引脚,创建该总线主要是为了增加新的功能特性,支持低功耗和高功耗两种模式,其总线速率支持100kHz、400kHz、1MHz。它工作在主/从模式:主器件提供时钟,在其发起一次传输时提供一个起始位,在其终止一次传输时提供一个停止位;从器件拥有一个唯一的7位或10位从器件地址。
SMBus和I2C的主要区别如下(主要区别详见SMBus Specification Appendix B):

- 总线电源VDD:I2C没定义,SMBus为1.8~5V。
- 阈值电压VIL、VIH、VHYS、VOL、IOL、ILEAK_BUS不同;
- 最小总线速率(Bus Speed):I2C没有最低总线速率要求,SMBus要求最低总线速率不能低于10kHz;
    SMBus一定要维持10kHz以上的运作频率,主要是为了管理监控,只要在保持一定传速运作的情况下加入参数,就可轻松获知总线目前是否处于闲置(Idle)中,省去逐一侦测传输过程中的停断(STOP)信号,或持续保有停断侦测并辅以额外参数侦测,如此对总线闲置后的再取用会更有效快速。
- 最大时钟拉伸(ClockStretching):tTIMEOUT、tHIGH、tLOW:SEXT、tLOW:MEXT、tOF、tF、tPOR;
- 设备地址应答:I2C不要求设备一定要能应答自身地址,而SMBus要求每次收到自身地址后都要有应答;
    I2C并没有强制规定发送端在发送接收端地址后接收端非要做出响应不可,也可以默不作声,即便默不作声,发送端还是会继续工作,开始进行数据传输及读/写指令;
    SMBus是不允许接收端在接收到自身地址信息后却不发出ACK回应。因为SMBus上所连接的受控装置有时是动态加入、动态移除的,例如换装一颗新电池,或笔记本电脑接上DOCK PORT等,如果接入的装置已经改变却没有回应,则发送端的程序所掌握的并非是整体系统的最新组态,就会造成误动作。

以上是一些简单的区别,下面从两种总线的应用背景、版本演进、电气特性差异、时序差别、已妥与未妥机制的强制性差别、传输协议的子集和超集等方面进行详细的对比。


应用背景、版本演变

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接口,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(SmartBattery)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所制定的先进组态与电源管理接口(Advanced Configuration & 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

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后来也增定一套更低电压的电平标准,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做法。

了解电压后再来看电流,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 V1.1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在逻辑电平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?

SMBus一定要维持10kHz以上的运作频率,主要也是为了管理监控,另一个用意是只要在保持一定传速运作的情况下加入参数,就可轻松获知总线目前是否处于闲置(Idle)中,省去逐一侦测传输过程中的停断(STOP)信号,或持续保有停断侦测并辅以额外参数侦测,如此对总线闲置后的再取用会更有效快速。

传速要求之后还有数据保持时间(Data Hold Time)的要求,SMBus规定SMBCLK线路的电平下降后,SMBDAT上的数据必须持续保留300nS,但I2C 却没有对此有相同的强制要求。

类似的,SMBus对接口被重置(Reset)后的恢复时间(Timeout)也有要求,一般而言是35mS,I2C这方面亦无约束,可以任意延长时间。相同的SMBus也要求无论是在主控端(Master)或受控端(Slave),其频率处于Lo电平时的最长持续时间不得超越限制,以免因为长时间处在Lo准位,而致收发两端时序脱轨(失去同步,造成后续误动作)。

还有,I2C与SMBus在信号的上升时间、下降时间等也有不同的细节要求,此点必要时也必须进行确认,或在验证过程中稍加留意。

Smart Battery或ACPI的实现、监督、与操控,最底层都需要SMBus(圈处)作为后援,图为简易的多组式智能型电池系统,图中有Smart Battery A、B两组电池。

已妥和未妥机制的强制性差别

不单是电气、时序有别,更深层次的协议机制也有不同。在I2C中,主控端发送端(主控端)要与接收端(受控端)通讯前,会在总线上广播受控端的地址信息,每个接收端都会接收到地址信息,但只有与该地址信息相切合的接收端会在地址信息发布完后发出「已妥」的回应(Acknowledge;ACK),让发送端知道对应的接收端确实已经备妥,可以进行通讯。

但是,I2C并没有强制规定接收端非要做出响应不可,也可以默不作声,即便默不作声,发送端还是会继续工作,开始进行数据传递及下达读/写指令,如此的机制在一般运用中还是可行,但若是在一些实时(Real Time)性的应用上,任何的动作与机制都有一定的时限要求,这种可有可无式的响应法就会产生问题,可能会导致受控端无法接收信息。

相同的情形,在SMBus上是不允许接收端在接收地址信息后却不发出回应,每次都要回应,为何要强制回应?其实与SMBus的应用息息相关,SMBus上所连接的受控装置有时是动态加入、动态移除的,例如换装一颗新电池,或笔记本电脑接上DOCK PORT等,如果接入的装置已经改变却没有回应,则主控端的程序所掌握的并非是整体系统的最新组态,就会造成误动作。

类似的情形也适用于ACPI,PC机内机外经常有一些装置可动态插入、移除,如机内风扇、外接打印机等,这些也一样该强制对主控端群发(广播)的地址信息作出完整响应。

地址动作方面有异,数据传输方面也有异。在I2C方面,Slave虽然对Master所发出的地址作出响应,但在后续的数据传递中,可能因某些事务必须先行处理、因应而无法持续原有的传输,这时候Slave就要对Master发出「未妥」的回应(Not Acknowledge;NACK),向Master表示Slave正为他务忙碌中。

而SMBus方面,与I2C相同的,会以NACK的回讯向Master表达Slave尚未收妥传递的信息,但是SMBus的Slave会在后续的每个Byte传输中都发出NACK回信,这样设计的原因是因为SMBus没有其他可向Master要求重发(Resend)的表示法。更直接说就是:NACK机制是SMBus标准中的强制必备,任何的讯息传递都很重要,不允许有漏失。

I2C在完成一段地址或数据信息的传输后,接收端可发出收妥(ACK)、未妥(NACK)的响应,SMBus也具相同的机制,但由于应用之故有更强制的回显请求。

传输协议的子集和超集

互动知会机制上有强制与否的差别,协议方面也是。SMBus的通讯协议与协议中所用的讯息格式,其实只是取自I2C规范中,对于数据传输格式定义中的子集合(Subset)而已。所以,如果将I2C与SMBus交混连接,则I2C装置在存取SMBus装置时,只能使用SMBus范畴的协议与格式,若使用I2C的标准存取方式反而无法正确存取。

另外,I2C规范中有一种称为’General Call’的广呼方式,当发出’0000000’的地址信息后,所有I2C上的Slave装置统统要对此作出反应,此机制适合用在Master要对所有的Slave进行广播性讯息更新与沟通上,是一种总体、批次的运作方式。

SMBus一样有General Call机制,但在此之外SMBus还多了一种特有的ALERT机制,不过这必须于频率线与数据线外再追加一条线(称为:SMBSUS)才能实现,ALERT虽名为警告但其实是中断(Interrupt)的用意,Slave可以将SMBSUS线路的电位拉低(ALERT#,#表示低电平有效),这时就等于向Master发出一个中断警讯,要求Master尽速为某一Slave提供传输服务。

Master要响应这个服务要求,是透过I2C/SMBus的频率线与数据线来通讯,但要如何知道此次的通讯只是Master对Slave的一般性通讯?还是特别针对Slave的中断需求而有的服务响应?

这主要是透过Master发出的地址信息来区别,若为回应中断的服务,地址信息必然是’0001100’,当Slave接收到’0001100’的地址信息,就知道这是Master特为中断而提供的服务通讯。

因此,软件工程师须留心,规划时必须让所有的Slave都不能占用’0001100’这个地址,以供ALERT机制运用(当然!若现在与未来都不会用上ALERT机制则可尽管占用)。事实上各种进阶的规范标准(如SmartBattery、ACCESS.bus、VESA DDC等)都在I2C的短寻址中订立了一些为自用而保留的地址,这在最初设计与定义时就该有所留意,以免因先行占用而导致日后须改写软件的麻烦。


补充提醒的是,SMBSUS一样是开集电极外加上拉电阻的线路,所以有一个Slave将电位拉下后,其余Slave侦测到电位被拉下,表示已有Slave正在与Master进行中断需索与响应服务,须等待抢到中断服务权的Slave确实被服务完毕,重新将SMBSUS释放回高电平后,才能持续以「看谁能先将线路电平拉低?」的方式来争取中断服务。

来源:硬件助手


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