2 smbus协议分析

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1、SMBus 协议分析及其在双 MCU 通讯中的应用 SMBus 协议分析及其在双 MCU 通讯中的应用 SMBus Protocol Analyse and Its Using in the Communication between 2 MCU 崔健，鲁志平 Cui Jian,Lu Zhiping 摘要：摘要：SMBus 是一种高效率的同步串行总线。本文在分析其通讯协议的基础上，认为采用 SMBus 通讯协议作为双 MCU 间的通讯协议可以达到既节省引脚又减少时钟周期的效果。最后，以 C8051F310为例，给出了具体实现方案和程序流程。 关键字：关键字：SMBus；双 MCU 系统；通讯协

2、议 Abstract: SMBus is a kind of synchronous serial bus with high efficiency. In this paper, its protocol is analysesed,and a good effect with little need of pin magnitude and clock time can be seen in the communication between 2 MCU via SMBus.A program flow chart on the communication is also provide,

3、as an example using C8051F310 via SMBus. Keyword: SMBus; Double MCU system; communication protocol 1 引言 1 引言 在双 MCU 系统中，2 片 MCU 之间的 通讯能否达到协调简易是一个必须考虑的 问题。文献中介绍了传统的通讯方案，有 采用并口的直接通讯， 使用的异步 串行通讯， 使用的同步串行通讯以及 使用双口的新方案。 但是这些方案不 是占用硬件资源多就是软件实现繁琐， 甚至 成本偏高。 而本文所要讨论的采用二线总线 的 SMBus（System Management Bus）则能 满足

4、绝大多数情况下对传输速率、 信号稳定 性、电路结构以及软件开发的需求，是目前 单片机技术发展的一种趋势。 SMBus 协议分析 .1 标准概述 SMBus 协议分析 .1 标准概述 SMBus标准最早由Intel公司于1995年 发布，它以 Philips 公司的 I2C（Inter-IC）总 线为基础，面向于“不同系统组成芯片与系 统其他部分间的通讯”文献。 目前 SMBus 的最新版本是 2.0 版。随着其标准的不断完 善与更新， SMBUS 已经广泛应用于 IT 产品 之中，另外在智能仪器、仪表和工业测控领 域也得到了越来越多的应用。 SMBus 的广泛 应用与它卓越的硬件标准和简便的软

5、件协 议是分不开的。 在最新的 Version 2.0 中，SMBus 又被 规范到 7 层 OSI 网络模型的前三层物理层 （physical layer） 、 数据链层 （data link layer） 和网络层（network layer）之中。 2.2 通讯系统的结构 2.2 通讯系统的结构 图所示的是一个典型的 SMBus 通讯 系统。 数据线 SMBDAT 和时钟线 SMBCLK 都是双向的。 这是个 5V 的 SMBus 系统， 包 括一个由总线VDD内部供电的器件1和一个 自供电的器件 2。Rp是上拉电阻，另外按照 SMBus 的标准， 器件的 SCL 端和 SDA 端都 必

6、须是漏极开路或集电极开路的， 因而当总 线在空闲时，这两条线总能保持高电平，以 便器件能够检测到总线的空闲状态。 SMBus 的标准传输速率是 100KHz200KHz，但实 际上最大可达系统时钟频率的十分之一， 这 取决于用户的设置。 当总线上接有不同速度 的器件时，可以采用延长 SCL 低电平时间h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛的方法来同步它们之间的通讯。 2.3 协议中的信号定义 2.3 协议中的信号定义 SMBus 使用固定电平来定义总

7、线上的 逻辑“0”和逻辑“1”。对于这两种逻辑信 号， SMBDAT 上的电平只有在 SMBCLK 为 高电平时才有意义，也只有在 SMBCLK 为 低电平时 SMBDAT 上才能发生电平转换。 对于其他情况， 被协议用来表示如下的控制 条件：通讯起始条件 START 和通讯停止条 件 STOP。 具体的，如图所示。起始条件用 SMBCLK为高电平时SMBDAT的一个下降 沿表示，停止条件用 SMBCLK 为高电平时 SMBDAT 的一个上升沿表示。至于两种应 答（acknowledge）信号确认（ACK） 和未确认（NACK），亦用逻辑电平来表示， 逻辑“1”表示确认，逻辑“2”表示未确认。

8、 有关总线空闲条件（Bus idle condition） 的定义与两个参数的标准有关， 一个是最小 总线释放时间 TBUF， 即两次通讯间的最小间 隔时间，另一个是最大时钟高电平时间 THIGH:MAX。当 SMBDAT 和 SMBCLK 同时 保持高电平并超过 TBUF和 THIGH:MAX二者中 的较大值时，便认为总线是空闲的。 2.4 通讯时序 2.4 通讯时序 SMBus 通讯协议有一个显著的特点， 主 器件和从器件仅是针对于一次特定的通讯 来讲才有意义， 任何一个发起通讯并获得总 线控制权的器件就是该次通讯的主器件， 其 通讯对象便是该次通讯的从器件。也就是 说，从总体来看，每个器

9、件既可工作于主方 式也可工作于从方式， 再考虑上传送数据的 方向， SMBus 上的器件一共可以有四种工作 方式：主发送方式、主接收方式、从发送方 式和从接收方式。 图给出了一次典型通讯的时序。 它包 括一个起始条件 START，一个 7 位的从地 址， 一个 1 位的 R/W 信号，一个或多个字 节的数据内容和一个停止条件 STOP。按照 协议，每传输一个数据字节（8 位）必须紧 跟一个应答信号， 该应答信号由该字节的接 收端发出。 若发出的是 NACK， 则该次通讯的 主器件必须要产生一个停止条件以终止该 次通讯。具体的，主器件产生一个起始条件 （并产生 SMBCLK 上的时钟信号），然后

10、 发送地址和 R/W 位（也称作方向位）。如 果是写操作， 则主器件每发送一个数据字节 便等待来自从器件的确认（此时，主器件工 作在主发送方式， 从器件则工作在从接收方 式）；如果是读操作，则由从器件发送数据 并等待主器件的确认（此时，主器件工作在 主接收方式， 从器件则工作在从发送方式） 。 在数据传输结束时， 主器件产生一个停止条 件以结束数据交换并释放总线。 2.5 总线仲裁 2.5 总线仲裁 当多个器件同时产生 START 条件时 （此时 SMBCLK 必为高电平），仲裁机构 将被激活并出现在 SMBDAT 上。此时总线上 所呈现出来的信号实际上是各器件所发信 号的逻辑与（wired-

11、AND），因此，若一个 或多个器件往 SMBDAT 上发送低电平，与 此同时其他器件发送高电平， 则发送高电平 的器件将被迫失去总线的控制权 （通常情况 会转入从接收器方式以监视总线的状态）， 而发送低电平的则继续发送下一位数据。 以 此往复竞争， 直至剩下一个器件便是此时的 主器件， 这时仲裁机构将被禁止直至总线再 次空闲。值得注意的是，由于线上与 （wired-AND）的功能，使得这种仲裁是非 损害性的：总有一个器件会获得总线控制 权，而且在此期间没有任何器件会丢失数 据。 图例举了一个由两个器件竞争总线时 的时序。 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c

12、o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛3 双 MCU 通讯的实现例程 C8051F310 所集成的 SMBus 接口电路 符合 SMBus Specification Version 1.1，提供 了串行传输的时序和移位控制， 更高层的协 议由用户软件实现。 每次数据字节或从地址 传输都产生 SMBus 中断，软件通过读 SMB0CN（SMBus 控制寄存器）来确定 SMBus 中断的原因文献 7。由于接口电 路已经实现了全部的底层协议， 用户软件所 作的仅仅是根据 SMBus 的状态向量（由 SMBus 中断所产生）

13、进行具体的有选择性的 响应。 这一部分可以通过中断服务程序来完 成。 图-5 所示的便是一个由中断服务程序 来实现的高层协议。其中，我们假定有 2 个 MCU 之间要实现点对点（peer-to-peer）通 讯，即这 2 个 MCU 均可发起通讯成为主器 件， 通讯的内容有数据字节， 也有命令字节。 可见基于 SMBus 编程时思路清晰，实 现简易。满足数据稳定性的要求。 参考文献： 参考文献： 1沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析.北京航空航天大学,2003.1 2谢瑞和.串行技术大全.清华大学出版社,2003.4 3THE I2C-BUS SPECIFICATION VERSION2.1

14、, Philips Semicondauctors,2000.1 4System Management Bus Specification Version 1.0, SBS Implementers Forum,1995.2.15 5System Management Bus Specification Version 1.1, SBS Implementers Forum,1998.12.11 6System Management Bus (SMBus) Specification Version 2.0,SBS Implementers Forum,2000.8.3 7 DS009-1.3

15、b,Cygnal Integrated Products Inc. 2003.5.3 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛崔健，男，1980.2 生人，华北电力大学电气 工程学院在读硕士研究生， 研究方向电力电 子与电力传动。 鲁志平，男，1974 生人，华北电力大学电气 工程学院在读硕士研究生， 研究方向电机与 电器。 联系电话：0312-7522951 通讯地址：河北保定青年路 204 号，华北电 力大学 351 信箱，崔健（收。 School of Electrical Engineering North China Electric Power University Baoding,071003,P.R.China 邮编：071003 h t t p :/w w w .e l e c f a n s .c o m 电子发烧友 h t t p :/b b s .e l e c f a n s .c o m 电子技术论坛