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SMBus与I2C的区别

(2010-11-09 10:15:37)
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杂谈

分类: 硬件电路
【转】SMBus与I2C的区别 SMbus 最早是由 Intel 公司提出来的. 现在由 SBS 管理维护这一个规格. 此规格是用 Philips 的 I2C 简化而来. SMbus 是由两条讯号所组成的一种汇流排. 是为了在系统上较慢速的装置及电源管理装置之间的沟通使用. 使系统可取得这些装置的制造厂商,型号,一些控制资讯,错误讯息及状态.

  这两条讯号为 SMBCLK 和 SMBDATA. 这和 I2C 上的 Clock(SCL) 和 Data(SDA) 是一样的.

  上图为一 SMbus 的架构图. 不同的装置都接在同一 Bus 上.在 SMbus 上只有一个 Master. 所有的命令均由此 Master 发出. 其他的装置 (Slave) 只能接收 Master 发出的命令或回覆资料给 Master.

  上图为 SMbus 开始及结束 bus 的图.当 SCL 为 High 而 SDA 由 High 变 Low 时表示开始一个 SMbus 的命令.当 SCL 为 High 而 SDA 由 Low 变 High 时表示结束一个 SMbus 的命令. 这二个状况在 Smbus 里是唯一的. 在一般传送资料时均不可能发生. 而在一般传送资料时则是在每一次 SCL 的上升缘时的 SDA 状态来决定. 这些资料包含了仲裁,确认,送出资料给那一个装置及送出的资料.或要取得那一个装置的资料及由装置送出的资料.

  关於I2C Bus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件也经常将两者混写、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,从实体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,那麼在日后的开发设计的验证除错阶段时必然会产生困扰,为此本文将从各层面来说明I2C Bus与SMBus的细微区别,期望能为各位带来些许助益。

  附注:关於I2C Bus的基础,可参考笔者之前的「I2C介面之线路实务」,网址为: http://www.digitimes.com.tw/n/article.asp?id=30479 9064272FED148256FDC00481D68

  首先从规格的制订背景开始,I2C是在设计电视应用时所发创的介面,首版於1992年发表;而SMBus(System Management Bus)则是Intel与Duracell(金顶电池)共同制订笔记型电脑所用的智慧型电池(Smart Battery)时所发创的介面,首版於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起源於电视设计,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介面(Advanced Configuration & Power Interface;ACPI)规范中成为基础的管理讯息传递介面、控制传递介面。

  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。

  ▲图说:MAXIM公司的MAX6641晶片,具有温度监督及风扇控制功能(用PWM脉宽调变方式控制风扇转速),图中脚位7、8即是SMBus(圈处),其他装置可透过SMBus与此晶片沟通,取得温度及相关资讯,或进行命令操控。(图/MAXIM-IC.com) I2C的Hi/Lo逻辑准位有两种认定法: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0.7 Vdd,Lo为0.3 Vdd,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,且准位与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准位认定,Hi为1.4V,Lo为0.6V,这是为了让运用SMBus的装置能更省成本而有的作法。

  了解电压后再来是电流,由於SMBus一起头就是运用在笔记型电脑内,所以低用电的表现优於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,即是准位下拉时的电流限制,当SMBus的开集极接脚导通其闸极而使线路接地时,流经接地的电流不得高於350uA,另外拉升电流(即相同的开集极接脚开路时)也一样有规范,最小不低於100uA,最高也是不破350uA。

  既然对电流有限制,那麼也可容易地推断对提升电阻的阻值之范围要求,I2C在5V Vdd时当大於1.6k ohm,在3V Vdd时当大於1k ohm,类似的SMBus於5V Vdd时当大於14k ohm,3V Vdd时当大於8.5k ohm,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?3.9k ohm范畴的阻值。

  附注:I2C的时脉线称SCK或SCL,资料线称SDA。SMBus的时脉线称SMBCLK,资料线称SMBDAT。

  ▲图说: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。(图/MAXIM-IC.com)

  时序差别与考验 实体层面的空间要求完后,再来就是实体层面的时间,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,等於时间暂停),高可至100kHz(Standard Mode)、400kHz(Fast Mode)、乃至3.4MHz(High Speed Mode),相对的SMBus就很拘限,最慢不慢於10kHz,最快不快於100kHz。很明显的,I2C与SMBus的交集运作频率即是10kHz?100kHz间。

  用於笔记型电脑的电池管理或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,只要传递小资料量的监督讯息、控制指令本就不用过於高速,而朝向广遍运用的I2C自然希望用更高的传输以因应各种可能的需求。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相同的毫无最低速限呢?

  SMBus一定要维持10kHz以上的运作时脉,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,就可轻松获知汇流排目前是否处於闲置(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,如此对汇流排闲置后的再取用会更有效快速。

传速要求之后还有资料持留时间(Data Hold Time)的要求,SMBus规定SMBCLK线路的准位下降后,SMBDAT上的资料必须持续保留300nS,但I2C却没有对此有相同的强制要求。类似的,SMBus对介面被重置(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),其时脉处於Lo准位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在准位的上升时间、下降时间等也有不同的细部要求,此点必要时也必须进行确认,或在验证过程中稍加留意。

  ▲图说: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慧型电池系统,图中有Smart Battery A、B两组电池。(图/SBS-Forum.org)

  「已妥」与「未妥」机制的强制性差别

  不单是电气、时序有别,更高层次的协定机制也有不同。在I2C中,主控端要与受控端通讯前,会在汇流排上广播受控端的位址资讯,每个受控端都会接收到位址资讯,但只有与该位址资讯相切合的受控端会在位址资讯发布完后发出「已妥」的回应(Acknowledge;ACK),让主控端知道对应的受控端确实已经备妥,可以进行通讯。但是,I2C并没有强制规定受控端非要作出回应不可,也可以默不作声,即便默不作声,主控端还是会接续工作,开始进行资料传递及下达读/写指令,如此的机制在一般运用中还是可行,但若是在一些即时(Real Time)性的应用上,任何的动作与机制都有一定的时限要求,这种可有可无式的回应法就会产生问题,可能会导致受控端无法接收资讯。

  相同的情形,在SMBus上是不允许受控端在接收位址资讯后却不发出回应,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,或笔记型电脑接上船坞埠等,如果接入的装置已经改变却不回应,则主控端的程式所掌握的并非是整体系统的最新组态,就会造成误动作。

  类似的情形也适用於ACPI,PC机内机外经常有一些装置可动态增入、移除,如机内风扇、外接印表机等,这些也一样该强制对主控端广发的位址资讯作出完整回应。

  位址动作方面有异,资料传输方面也有异。在I2C方面,Slave虽然对Master所发出的位址作出回应,但在后续的资料传递中,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尚未收妥传递的资讯,但是SMBus的Slave会在后续的每个Byte传输中都发出NACK回讯,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。

  ▲图说:I2C在完成一段位址或资料资讯的传输后,受接端可发出讯息收妥(ACK)、未妥(NACK)的回应,SMBus也具相同的机制,但由於应用之故有更强制的回应要求。(图/Semiconductors.Philips.com)

  传输协定的子集、超集

  互动知会机制上有强制与否的差别,协定方面也是。SMBus的通讯协定与协定中所用的讯息格式,其实只是取自I2C规范中,对於资料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范畴的协定与格式,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」的位址资讯后,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还多了一种特用的ALERT(警讯)机制,不过这必须於时脉线与资料线外再追加一条线(称为:SMBSUS)才能实现,ALERT虽名为警讯但其实是中断(Interrupt)的用意,Slave可以将SMBSUS线路的电位拉低(ALERT#,#表示低准位有效),这时就等於向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要回应这个服务要求,是透过I2C/SMBus的时脉线与资料线来通讯,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回应?

  这主要是透过Master发出的位址资讯来区别,若为回应中断的服务,位址资讯必然是「0001100」,当Slave接收到「0001100」的位址资讯,就知道这是Master特为中断而提供的服务通讯。因此,韧体工程师须留心,规划时必须让所有的Slave都不能占用「0001100」这个位址,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Smart Battery、ACCESS.bus、VESA DDC等)都在I2C的短定址中订立了一些为自用而保留的位址,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韧体的麻烦。

  补充提醒的是,SMBSUS一样是开集极外加提升电阻的线路,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进行中断需索与回应服务,须等待抢到中断服务权的Slave确实被服务完毕,重新将SMBSUS释放回高准位后,才能持续以「看谁能先将线路准位拉低?」的方式来争取中断服务。

  最后,若有进一步兴趣的读者,笔者建议可参考两份资料:

  ▲图说:MAXIM公司的MAX6641晶片之典型应用方式,图左为温度感测电路,图右上为风扇转速控制电路,图右圈处即是SMBus介面电路。(图/MAXIM-IC.com)

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