SMBus与I2C的区别

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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）