串列介面設(shè)計實務(wù) I2C Bus、SMBus間技術(shù)差異 
（郭長祐／DigiTimes.com） 2005/05/09 
 
 

前言：

　關(guān)於I2C Bus與SMBus，許多人很少去談?wù)撆c瞭解兩者的細節(jié)差異，包括很多國外的簡報文件也經(jīng)常將兩者混寫、交雜描述、交替運用。

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　確實，在一般運用下，I2C Bus與SMBus沒有太大的差別，從實體接線上看也幾乎無差異，甚至兩者直接相連多半也能相安無誤地正確互通並運作。不過若真要仔細探究，其實還是有諸多不同，如果電子設(shè)計工程師不能明辨兩者的真實差異，那麼在日後的開發(fā)設(shè)計的驗證除錯階段時必然會產(chǎn)生困擾，為此本文將從各層面來說明I2C Bus與SMBus的細微區(qū)別，期望能為各位帶來些許助益。

　附註：關(guān)於I2C Bus的基礎(chǔ)，可參考筆者之前的「I2C介面之線路實務(wù)」，網(wǎng)址為：

　http://www.digitimes.com.tw/n/article.asp?id=304799064272FED148256FDC00481D68

　或參考Philips半導(dǎo)體網(wǎng)站的I2C官方規(guī)格：

　http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/literature/9398/39340011.pdf

　運用背景、版本演進之別

　首先從規(guī)格的制訂背景開始，I2C是在設(shè)計電視應(yīng)用時所發(fā)創(chuàng)的介面，首版於1992年發(fā)表；而SMBus（System Management Bus）則是Intel與Duracell（金頂電池）共同制訂筆記型電腦所用的智慧型電池（Smart Battery）時所發(fā)創(chuàng)的介面，首版於1995年發(fā)表，不過SMBus文件中也提及，SMBus確實是參考自I2C，並以I2C為基礎(chǔ)所衍生成。

　I2C起源於電視設(shè)計，但之後朝通用路線發(fā)展，各種電子設(shè)計都有機會用到I2C；而SMBus則在之後為PC所制訂的先進組態(tài)與電源管理介面（Advanced Configuration & Power Interface；ACPI）規(guī)範中成為基礎(chǔ)的管理訊息傳遞介面、控制傳遞介面。

　雖然I2C與SMBus先後制訂時間不同，但都在2000年左右進入成熟化改版，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　


▲圖說：MAXIM公司的MAX6641晶片，具有溫度監(jiān)督及風(fēng)扇控制功能（用PWM脈寬調(diào)變方式控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速），圖中腳位7、8即是SMBus（圈處），其他裝置可透過SMBus與此晶片溝通，取得溫度及相關(guān)資訊，或進行命令操控。（圖／MAXIM-IC.com）

　電氣特性差異：邏輯位準定義、限流、相關(guān)限制

　I2C的Hi/Lo邏輯準位有兩種認定法：相對認定與絕對認定，相對認定是依據(jù)Vdd的電壓來決定，Hi為0.7 Vdd，Lo為0.3 Vdd，絕對認定則與TTL準位認定相同，直接指定Hi/Li電壓，Hi為3.0V，Lo為1.5V。相對的SMBus只有絕對認定，且準位與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後來也增訂一套更低電壓的準位認定，Hi為1.4V，Lo為0.6V，這是為了讓運用SMBus的裝置能更省成本而有的作法。

　瞭解電壓後再來是電流，由於SMBus一起頭就是運用在筆記型電腦內(nèi)，所以低用電的表現(xiàn)優(yōu)於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似乎過度嚴苛，使運用SMBus的裝置在驗證測試時耗費過多的成本與心力，因此之後的SMBus 1.1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)範，即是準位下拉時的電流限制，當SMBus的開集極接腳導(dǎo)通其閘極而使線路接地時，流經(jīng)接地的電流不得高於350uA，另外拉升電流（即相同的開集極接腳開路時）也一樣有規(guī)範，最小不低於100uA，最高也是不破350uA。

　既然對電流有限制，那麼也可容易地推斷對提升電阻的阻值之範圍要求，I2C在5V Vdd時當大於1.6k ohm，在3V Vdd時當大於1k ohm，類似的SMBus於5V Vdd時當大於14k ohm，3V Vdd時當大於8.5k ohm，不過這個定義並非牢不可破，就一般實務(wù)而言，在SMBus上也可用2.4k～3.9k ohm範疇的阻值。

　附註：I2C的時脈線稱SCK或SCL，資料線稱SDA。SMBus的時脈線稱SMBCLK，資料線稱SMBDAT。　


▲圖說：I2C與SMBus在邏輯位準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。（圖／MAXIM-IC.com）

　時序差別與考驗

　實體層面的空間要求完後，再來就是實體層面的時間，即是時序（Timing）方面的差別。

　先以運作頻率來說，I2C此方面相當寬裕，最低頻可至0Hz（直流狀態(tài)，等於時間暫停），高可至100kHz（Standard Mode）、400kHz（Fast Mode）、乃至3.4MHz（High Speed Mode），相對的SMBus就很拘限，最慢不慢於10kHz，最快不快於100kHz。很明顯的，I2C與SMBus的交集運作頻率即是10kHz～100kHz間。

　用於筆記型電腦的電池管理或PC組態(tài)管理、用電管理的SMBus，很容易體會不需要更高運作頻率的理由，只要傳遞小資料量的監(jiān)督訊息、控制指令本就不用過於高速，而朝向廣遍運用的I2C自然希望用更高的傳輸以因應(yīng)各種可能的需求。然而大家可能會疑惑，為何SMBus有最低速的要求？何不放寬到與I2C相同的毫無最低速限呢？

　SMBus一定要維持10kHz以上的運作時脈，主要也是為了管理監(jiān)控，另一個用意是只要在保持一定傳速運作的情況下加入?yún)?shù)，就可輕鬆獲知匯流排目前是否處於閒置（Idle）中，省去逐一偵測傳輸過程中的停斷（STOP）信號，或持續(xù)保有停斷偵測並輔以額外參數(shù)偵測，如此對匯流排閒置後的再取用會更有效快速。

　傳速要求之後還有資料持留時間（Data Hold Time）的要求，SMBus規(guī)定SMBCLK線路的準位下降後，SMBDAT上的資料必須持續(xù)保留300nS，但I2C卻沒有對此有相同的強制要求。

　類似的，SMBus對介面被重置（Reset）後的恢復(fù)時間（Timeout）也有要求，一般而言是35mS，I2C這方面亦無約束，可以任意延長時間。相同的SMBus也要求無論是在主控端（Master）或受控端（Slave），其時脈處於Lo準位時的最長持續(xù)時間不得超越限制，以免因為長時間處在Lo準位，而致收發(fā)兩端時序脫軌（失去同步，造成後續(xù)誤動作）。

　還有，I2C與SMBus在準位的上升時間、下降時間等也有不同的細部要求，此點必要時也必須進行確認，或在驗證過程中稍加留意。　


▲圖說：Smart Battery或ACPI的實現(xiàn)、監(jiān)督、與操控，最底層都需要SMBus（圈處）作為後援，圖為簡易的多組式智慧型電池系統(tǒng)，圖中有Smart Battery A、B兩組電池。（圖／SBS-Forum.org）

　「已妥」與「未妥」機制的強制性差別

　不單是電氣、時序有別，更高層次的協(xié)定機制也有不同。在I2C中，主控端要與受控端通訊前，會在匯流排上廣播受控端的位址資訊，每個受控端都會接收到位址資訊，但只有與該位址資訊相切合的受控端會在位址資訊發(fā)佈完後發(fā)出「已妥」的回應(yīng)（Acknowledge；ACK），讓主控端知道對應(yīng)的受控端確實已經(jīng)備妥，可以進行通訊。

　但是，I2C並沒有強制規(guī)定受控端非要作出回應(yīng)不可，也可以默不作聲，即便默不作聲，主控端還是會接續(xù)工作，開始進行資料傳遞及下達讀／寫指令，如此的機制在一般運用中還是可行，但若是在一些即時（Real Time）性的應(yīng)用上，任何的動作與機制都有一定的時限要求，這種可有可無式的回應(yīng)法就會產(chǎn)生問題，可能會導(dǎo)致受控端無法接收資訊。

　相同的情形，在SMBus上是不允許受控端在接收位址資訊後卻不發(fā)出回應(yīng)，每次都要回應(yīng)，為何要強制回應(yīng)？其實與SMBus的應(yīng)用息息相關(guān)，SMBus上所連接的受控裝置有時是動態(tài)加入、動態(tài)移除的，例如換裝一顆新電池，或筆記型電腦接上船塢埠等，如果接入的裝置已經(jīng)改變卻不回應(yīng)，則主控端的程式所掌握的並非是整體系統(tǒng)的最新組態(tài)，就會造成誤動作。

　類似的情形也適用於ACPI，PC機內(nèi)機外經(jīng)常有一些裝置可動態(tài)增入、移除，如機內(nèi)風(fēng)扇、外接印表機等，這些也一樣該強制對主控端廣發(fā)的位址資訊作出完整回應(yīng)。

　位址動作方面有異，資料傳輸方面也有異。在I2C方面，Slave雖然對Master所發(fā)出的位址作出回應(yīng)，但在後續(xù)的資料傳遞中，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，會以NACK的回訊向Master表達Slave尚未收妥傳遞的資訊，但是SMBus的Slave會在後續(xù)的每個Byte傳輸中都發(fā)出NACK回訊，這樣設(shè)計的原因是因為SMBus沒有其他可向Master要求重發(fā)（Resend）的表示法。更直接說就是：NACK機制是SMBus標準中的強制必備，任何的訊息傳遞都很重要，不允許有漏失。　


▲圖說：I2C在完成一段位址或資料資訊的傳輸後，受接端可發(fā)出訊息收妥（ACK）、未妥（NACK）的回應(yīng)，SMBus也具相同的機制，但由於應(yīng)用之故有更強制的回應(yīng)要求。（圖／Semiconductors.Philips.com）

　傳輸協(xié)定的子集、超集

　互動知會機制上有強制與否的差別，協(xié)定方面也是。SMBus的通訊協(xié)定與協(xié)定中所用的訊息格式，其實只是取自I2C規(guī)範中，對於資料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，只能使用SMBus範疇的協(xié)定與格式，若使用I2C的標準存取方式反而無法正確存取。

　另外，I2C規(guī)範中有一種稱為「General Call」的廣呼方式，當發(fā)出「0000000」的位址資訊後，所有I2C上的Slave裝置統(tǒng)統(tǒng)要對此作出反應(yīng)，此機制適合用在Master要對所有的Slave進行廣播性訊息更新與溝通上，是一種總體、批次的運作方式。

　SMBus一樣有General Call機制，但在此之外SMBus還多了一種特用的ALERT（警訊）機制，不過這必須於時脈線與資料線外再追加一條線（稱為：SMBSUS）才能實現(xiàn)，ALERT雖名為警訊但其實是中斷（Interrupt）的用意，Slave可以將SMBSUS線路的電位拉低（ALERT#，#表示低準位有效），這時就等於向Master發(fā)出一個中斷警訊，要求Master儘速為某一Slave提供傳輸服務(wù)。

　Master要回應(yīng)這個服務(wù)要求，是透過I2C/SMBus的時脈線與資料線來通訊，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)回應(yīng)？

　這主要是透過Master發(fā)出的位址資訊來區(qū)別，若為回應(yīng)中斷的服務(wù)，位址資訊必然是「0001100」，當Slave接收到「0001100」的位址資訊，就知道這是Master特為中斷而提供的服務(wù)通訊。

　因此，韌體工程師須留心，規(guī)劃時必須讓所有的Slave都不能佔用「0001100」這個位址，以供ALERT機制運用（當然！若現(xiàn)在與未來都不會用上ALERT機制則可儘管佔用）。事實上各種進階的規(guī)範標準（如Smart Battery、ACCESS.bus、VESA DDC等）都在I2C的短定址中訂立了一些為自用而保留的位址，這在最初設(shè)計與定義時就該有所留意，以免因先行佔用而導(dǎo)致日後須改寫韌體的麻煩。

　補充提醒的是，SMBSUS一樣是開集極外加提升電阻的線路，所以有一個Slave將電位拉下後，其餘Slave偵測到電位被拉下，表示已有Slave正在與Master進行中斷需索與回應(yīng)服務(wù)，須等待搶到中斷服務(wù)權(quán)的Slave確實被服務(wù)完畢，重新將SMBSUS釋放回高準位後，才能持續(xù)以「看誰能先將線路準位拉低？」的方式來爭取中斷服務(wù)。

　最後，若有進一步興趣的讀者，筆者建議可參考兩份資料：

　1.SMBus 2.0版規(guī)範（SMBus規(guī)格網(wǎng)站）

　http://www.smbus.org/specs/smbus20.pdf

　2.比較I2C與SMBus（MAXIM公司網(wǎng)站）

　HTML版：http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/356

　PDF版：http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN356.pdf　


▲圖說：MAXIM公司的MAX6641晶片之典型應(yīng)用方式，圖左為溫度感測電路，圖右上為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制電路，圖右圈處即是SMBus介面電路。（圖／MAXIM-IC.com）