SMBus硬件接口協(xié)議介紹

本文主要介紹SMBus總線。 ? SMBus（System Management Bus）是Intel與Duracell（金頂電池）共同制定的接口，首版于1995年發(fā)表，參考I2C接口。

SMBus是一種二線制串行總線（還有兩根可選信號線SMBSUS#（系統(tǒng)低功耗掛起狀態(tài)指示）、SMBALERT#（事件提醒）），它大部分基于I2C總線規(guī)范。和I2C一樣，SMBus可以不增加額外引腳，創(chuàng)建該總線主要是為了增加新的功能特性，支持低功耗和高功耗兩種模式，其總線速率支持100kHz、400kHz、1MHz。它工作在主/從模式：主器件提供時(shí)鐘，在其發(fā)起一次傳輸時(shí)提供一個(gè)起始位，在其終止一次傳輸時(shí)提供一個(gè)停止位；從器件擁有一個(gè)唯一的7位或10位從器件地址。

SMBus和I2C的主要區(qū)別如下（主要區(qū)別詳見SMBus Specification Appendix B）：

總線電源VDD：I2C沒定義，SMBus為1.8~5V。

閾值電壓VIL、VIH、VHYS、VOL、IOL、ILEAK_BUS不同；

最小總線速率（Bus Speed）：I2C沒有最低總線速率要求，SMBus要求最低總線速率不能低于10kHz；

SMBus一定要維持10kHz以上的運(yùn)作頻率，主要是為了管理監(jiān)控，只要在保持一定傳速運(yùn)作的情況下加入參數(shù)，就可輕松獲知總線目前是否處于閑置（Idle）中，省去逐一偵測傳輸過程中的停斷（STOP）信號，或持續(xù)保有停斷偵測并輔以額外參數(shù)偵測，如此對總線閑置后的再取用會(huì)更有效快速。

最大時(shí)鐘拉伸（ClockStretching）：tTIMEOUT、tHIGH、tLOW:SEXT、tLOW:MEXT、tOF、tF、tPOR；

設(shè)備地址應(yīng)答：I2C不要求設(shè)備一定要能應(yīng)答自身地址，而SMBus要求每次收到自身地址后都要有應(yīng)答；

I2C并沒有強(qiáng)制規(guī)定發(fā)送端在發(fā)送接收端地址后接收端非要做出響應(yīng)不可，也可以默不作聲，即便默不作聲，發(fā)送端還是會(huì)繼續(xù)工作，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及讀/寫指令；

SMBus是不允許接收端在接收到自身地址信息后卻不發(fā)出ACK回應(yīng)。因?yàn)镾MBus上所連接的受控裝置有時(shí)是動(dòng)態(tài)加入、動(dòng)態(tài)移除的，例如換裝一顆新電池，或筆記本電腦接上DOCK PORT等，如果接入的裝置已經(jīng)改變卻沒有回應(yīng)，則發(fā)送端的程序所掌握的并非是整體系統(tǒng)的最新組態(tài)，就會(huì)造成誤動(dòng)作。

以上是一些簡單的區(qū)別，下面從兩種總線的應(yīng)用背景、版本演進(jìn)、電氣特性差異、時(shí)序差別、已妥與未妥機(jī)制的強(qiáng)制性差別、傳輸協(xié)議的子集和超集等方面進(jìn)行詳細(xì)的對比。

應(yīng)用背景、版本演變

首先從規(guī)格的制訂背景開始，I2C是在設(shè)計(jì)電視應(yīng)用時(shí)所研發(fā)的接口，首版于1992年發(fā)表；而SMBus（System Management Bus）則是Intel與Duracell（金頂電池）共同制訂筆記本電腦所用的智能型電池（SmartBattery）時(shí)所研發(fā)的接口，首版于1995年發(fā)表，不過SMBus文件中也提及，SMBus確實(shí)是參考自I2C，并以I2C為基礎(chǔ)所衍生成。

I2C起源于電視設(shè)計(jì)，但之后朝通用路線發(fā)展，各種電子設(shè)計(jì)都有機(jī)會(huì)用到I2C；而SMBus則在之后為PC所制定的先進(jìn)組態(tài)與電源管理接口（Advanced Configuration & Power Interface；ACPI）規(guī)范中成為基礎(chǔ)的管理訊息傳遞接口、控制傳遞接口。

雖然I2C與SMBus先后制訂時(shí)間不同，但都在2000年左右進(jìn)入成熟化改版，I2C的過程改版以加速為主要訴求，而SMBus以更切合Smart Battery及ACPI的需求為多。

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

電氣特性差異

I2C的Hi/Lo邏輯電平有兩種認(rèn)定法：相對認(rèn)定與絕對認(rèn)定，相對認(rèn)定是依據(jù)Vdd的電壓來決定，Hi為0.7Vdd，Lo為0.3Vdd，絕對認(rèn)定則與TTL準(zhǔn)位認(rèn)定相同，直接指定Hi/Li電壓，Hi為3.0V，Lo為1.5V。相對的SMBus只有絕對認(rèn)定，且電平與I2C有異，Hi為2.1V，Lo為0.8V，與I2C不全然吻合但也算部分交集。

不過，SMBus后來也增定一套更低電壓的電平標(biāo)準(zhǔn)，Hi為1.4V，Lo為0.6V，這是為了讓運(yùn)用SMBus的裝置能更省成本的做法。

了解電壓后再來看電流，由于SMBus一開始就是運(yùn)用在筆記本電腦內(nèi)，所以省電的表現(xiàn)優(yōu)于I2C，只需100uA就能維持工作，I2C卻要到3mA同樣的低用電特性也反應(yīng)在漏電流（Leakage Current）的要求上，I2C最大的漏電流為10uA，SMBus為1uA，但是1uA似乎過度嚴(yán)苛，使運(yùn)用SMBus的裝置在驗(yàn)證測試時(shí)耗費(fèi)過多的成本與心力，因此之后的SMBus V1.1版放寬了漏電流上限，最高可至5uA。

再者是相關(guān)限制，I2C有線路電容的限制，SMBus卻沒有，但也有相類似的配套規(guī)范，即是電平下拉時(shí)的電流限制，當(dāng)SMBus的集電極開路Pin導(dǎo)通而使線路接地時(shí)，流經(jīng)接地的電流不能高于350uA，另上電流（即相同的集電極開路Pin開路時(shí)）也一樣有規(guī)范，最小不低于100uA，最高也是不破350uA的。

既然對電流有限制，那么也可容易地推斷對上拉電阻的阻值之范圍要求，I2C在5V Vdd時(shí)當(dāng)大于1.6kohm，在3V Vdd時(shí)當(dāng)大于1kohm，類似的SMBus于5V Vdd時(shí)當(dāng)大于14kohm，3V Vdd時(shí)當(dāng)大于8.5kohm，不過這個(gè)定義并非牢不可破，就一般實(shí)務(wù)而言，在SMBus上也可用2.4k~3.9kohm范疇的阻值。

附注：I2C的時(shí)鐘線稱SCK或SCL，數(shù)據(jù)線稱SDA。SMBus的時(shí)鐘線稱SMBCLK，數(shù)據(jù)線稱SMBDAT。

I2C與SMBus在邏輯電平的電壓定義不盡相同，基本上I2C的定義較為寬裕、彈性，而SMBus則更專注在省電方面的要求。

? 時(shí)序差別與考驗(yàn)

物理層面的空間要求完后，再來就是物理層面的時(shí)間，即是時(shí)序（Timing）方面的差別。

先以運(yùn)作頻率來說，I2C此方面相當(dāng)寬裕，最低頻可至0Hz（直流狀態(tài)，等于時(shí)間暫停），高可至100kHz（Standard Mode）、400kHz（Fast Mode）、乃至3.4MHz（High Speed Mode），相對的SMBus就很局限，最慢不慢于10kHz，最快不快于100kHz。很明顯的，I2C與SMBus的交集運(yùn)作頻率即是10kHz?100kHz間。

用于筆記本電腦的電池管理或PC組態(tài)管理、用電管理的SMBus，很容易體會(huì)不需要更高運(yùn)作頻率的理由，只要傳遞小數(shù)據(jù)量的監(jiān)督信息、控制指令本就不用過于高速，而朝向廣泛運(yùn)用的I2C自然希望用更高的傳輸以應(yīng)對各種可能的需求。然而大家可能會(huì)疑惑，為何SMBus有最低速的要求？何不放寬到與I2C相同的無最低速限制呢？

SMBus一定要維持10kHz以上的運(yùn)作頻率，主要也是為了管理監(jiān)控，另一個(gè)用意是只要在保持一定傳速運(yùn)作的情況下加入?yún)?shù)，就可輕松獲知總線目前是否處于閑置（Idle）中，省去逐一偵測傳輸過程中的停斷（STOP）信號，或持續(xù)保有停斷偵測并輔以額外參數(shù)偵測，如此對總線閑置后的再取用會(huì)更有效快速。

傳速要求之后還有數(shù)據(jù)保持時(shí)間（Data Hold Time）的要求，SMBus規(guī)定SMBCLK線路的電平下降后，SMBDAT上的數(shù)據(jù)必須持續(xù)保留300nS，但I(xiàn)2C 卻沒有對此有相同的強(qiáng)制要求。

類似的，SMBus對接口被重置（Reset）后的恢復(fù)時(shí)間（Timeout）也有要求，一般而言是35mS，I2C這方面亦無約束，可以任意延長時(shí)間。相同的SMBus也要求無論是在主控端（Master）或受控端（Slave），其頻率處于Lo電平時(shí)的最長持續(xù)時(shí)間不得超越限制，以免因?yàn)殚L時(shí)間處在Lo準(zhǔn)位，而致收發(fā)兩端時(shí)序脫軌（失去同步，造成后續(xù)誤動(dòng)作）。

還有，I2C與SMBus在信號的上升時(shí)間、下降時(shí)間等也有不同的細(xì)節(jié)要求，此點(diǎn)必要時(shí)也必須進(jìn)行確認(rèn)，或在驗(yàn)證過程中稍加留意。

Smart Battery或ACPI的實(shí)現(xiàn)、監(jiān)督、與操控，最底層都需要SMBus（圈處）作為后援，圖為簡易的多組式智能型電池系統(tǒng)，圖中有Smart Battery A、B兩組電池。

? 已妥和未妥機(jī)制的強(qiáng)制性差別

不單是電氣、時(shí)序有別，更深層次的協(xié)議機(jī)制也有不同。在I2C中，主控端發(fā)送端(主控端)要與接收端(受控端)通訊前，會(huì)在總線上廣播受控端的地址信息，每個(gè)接收端都會(huì)接收到地址信息，但只有與該地址信息相切合的接收端會(huì)在地址信息發(fā)布完后發(fā)出「已妥」的回應(yīng)（Acknowledge；ACK），讓發(fā)送端知道對應(yīng)的接收端確實(shí)已經(jīng)備妥，可以進(jìn)行通訊。

但是，I2C并沒有強(qiáng)制規(guī)定接收端非要做出響應(yīng)不可，也可以默不作聲，即便默不作聲，發(fā)送端還是會(huì)繼續(xù)工作，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞及下達(dá)讀／寫指令，如此的機(jī)制在一般運(yùn)用中還是可行，但若是在一些實(shí)時(shí)（Real Time）性的應(yīng)用上，任何的動(dòng)作與機(jī)制都有一定的時(shí)限要求，這種可有可無式的響應(yīng)法就會(huì)產(chǎn)生問題，可能會(huì)導(dǎo)致受控端無法接收信息。

相同的情形，在SMBus上是不允許接收端在接收地址信息后卻不發(fā)出回應(yīng)，每次都要回應(yīng)，為何要強(qiáng)制回應(yīng)？其實(shí)與SMBus的應(yīng)用息息相關(guān)，SMBus上所連接的受控裝置有時(shí)是動(dòng)態(tài)加入、動(dòng)態(tài)移除的，例如換裝一顆新電池，或筆記本電腦接上DOCK PORT等，如果接入的裝置已經(jīng)改變卻沒有回應(yīng)，則主控端的程序所掌握的并非是整體系統(tǒng)的最新組態(tài)，就會(huì)造成誤動(dòng)作。

類似的情形也適用于ACPI，PC機(jī)內(nèi)機(jī)外經(jīng)常有一些裝置可動(dòng)態(tài)插入、移除，如機(jī)內(nèi)風(fēng)扇、外接打印機(jī)等，這些也一樣該強(qiáng)制對主控端群發(fā)(廣播)的地址信息作出完整響應(yīng)。

地址動(dòng)作方面有異，數(shù)據(jù)傳輸方面也有異。在I2C方面，Slave雖然對Master所發(fā)出的地址作出響應(yīng)，但在后續(xù)的數(shù)據(jù)傳遞中，可能因某些事務(wù)必須先行處理、因應(yīng)而無法持續(xù)原有的傳輸，這時(shí)候Slave就要對Master發(fā)出「未妥」的回應(yīng)（Not Acknowledge；NACK），向Master表示Slave正為他務(wù)忙碌中。

而SMBus方面，與I2C相同的，會(huì)以NACK的回訊向Master表達(dá)Slave尚未收妥傳遞的信息，但是SMBus的Slave會(huì)在后續(xù)的每個(gè)Byte傳輸中都發(fā)出NACK回信，這樣設(shè)計(jì)的原因是因?yàn)镾MBus沒有其他可向Master要求重發(fā)（Resend）的表示法。更直接說就是：NACK機(jī)制是SMBus標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)制必備，任何的訊息傳遞都很重要，不允許有漏失。

I2C在完成一段地址或數(shù)據(jù)信息的傳輸后，接收端可發(fā)出收妥（ACK）、未妥（NACK）的響應(yīng)，SMBus也具相同的機(jī)制，但由于應(yīng)用之故有更強(qiáng)制的回顯請求。

? 傳輸協(xié)議的子集和超集

互動(dòng)知會(huì)機(jī)制上有強(qiáng)制與否的差別，協(xié)議方面也是。SMBus的通訊協(xié)議與協(xié)議中所用的訊息格式，其實(shí)只是取自I2C規(guī)范中，對于數(shù)據(jù)傳輸格式定義中的子集合（Subset）而已。所以，如果將I2C與SMBus交混連接，則I2C裝置在存取SMBus裝置時(shí)，只能使用SMBus范疇的協(xié)議與格式，若使用I2C的標(biāo)準(zhǔn)存取方式反而無法正確存取。

另外，I2C規(guī)范中有一種稱為’General Call’的廣呼方式，當(dāng)發(fā)出’0000000’的地址信息后，所有I2C上的Slave裝置統(tǒng)統(tǒng)要對此作出反應(yīng)，此機(jī)制適合用在Master要對所有的Slave進(jìn)行廣播性訊息更新與溝通上，是一種總體、批次的運(yùn)作方式。

SMBus一樣有General Call機(jī)制，但在此之外SMBus還多了一種特有的ALERT機(jī)制，不過這必須于頻率線與數(shù)據(jù)線外再追加一條線（稱為：SMBSUS）才能實(shí)現(xiàn)，ALERT雖名為警告但其實(shí)是中斷（Interrupt）的用意，Slave可以將SMBSUS線路的電位拉低（ALERT#，#表示低電平有效），這時(shí)就等于向Master發(fā)出一個(gè)中斷警訊，要求Master盡速為某一Slave提供傳輸服務(wù)。

Master要響應(yīng)這個(gè)服務(wù)要求，是透過I2C/SMBus的頻率線與數(shù)據(jù)線來通訊，但要如何知道此次的通訊只是Master對Slave的一般性通訊？還是特別針對Slave的中斷需求而有的服務(wù)響應(yīng)？

這主要是透過Master發(fā)出的地址信息來區(qū)別，若為回應(yīng)中斷的服務(wù)，地址信息必然是’0001100’，當(dāng)Slave接收到’0001100’的地址信息，就知道這是Master特為中斷而提供的服務(wù)通訊。

因此，軟件工程師須留心，規(guī)劃時(shí)必須讓所有的Slave都不能占用’0001100’這個(gè)地址，以供ALERT機(jī)制運(yùn)用（當(dāng)然！若現(xiàn)在與未來都不會(huì)用上ALERT機(jī)制則可盡管占用）。事實(shí)上各種進(jìn)階的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（如SmartBattery、ACCESS.bus、VESA DDC等）都在I2C的短尋址中訂立了一些為自用而保留的地址，這在最初設(shè)計(jì)與定義時(shí)就該有所留意，以免因先行占用而導(dǎo)致日后須改寫軟件的麻煩。

補(bǔ)充提醒的是，SMBSUS一樣是開集電極外加上拉電阻的線路，所以有一個(gè)Slave將電位拉下后，其余Slave偵測到電位被拉下，表示已有Slave正在與Master進(jìn)行中斷需索與響應(yīng)服務(wù)，須等待搶到中斷服務(wù)權(quán)的Slave確實(shí)被服務(wù)完畢，重新將SMBSUS釋放回高電平后，才能持續(xù)以「看誰能先將線路電平拉低？」的方式來爭取中斷服務(wù)。

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審核編輯：劉清