I2C与SMBus之间的差异

关于I2C与SMBus，很多人很少谈论和理解两者之间的细节差异，包括许多外国简报，文章经常混合、混合描述和交替使用。

的确，在一般应用下，I2C Bus与SMBus没有太大区别，从实际接线来看几乎没有区别。即使两者直接相连，也可以正确交流和操作。然而，如果我们真的想仔细探索，事实上，仍然有很多不同。如果电子设计工程师无法区分两者之间的真正差异，那么在未来的开发设计验证和纠错阶段将不可避免地遇到麻烦。因此，本文将从各个层面进行解释I2CBus与SMBus希望能给大家带来一些帮助。

使用背景和版本进化的区别

从规格制定背景开始，I2C1992年设计电视应用时开发的界面年发表；而SMBus（System Management Bus）则是Intel与Duracell(金顶电池)共同制定笔记本电脑使用的智能电池（Smart Battery）时间研发的界面，首版于1995但是SMBus文件中也提到，SMBus确实是参考自己I2C，并以I2C衍生成基础。

I2C它起源于电视设计，但随着通用路线的发展，有机会使用各种电子设计I2C；而SMBus则在之后为PC先进的组态和电源管理接口（AdvancedConfiguration & Power Interface；ACPI）本规范已成为基本的管理信息传输接口和控制传输接口。

虽然I2C与SMBus制定时间不同，但都在2000年左右进入成熟的改版，I2C以加速为主要诉求的过程改版，SMBus以更切合Smart Battery及ACPI的需求为多。

I2C三次主要修订：

1992年v1.0

1998年v2.0

2000年v2.1

SMBus三次主要修订：

1995年v1.0

1998年v1.1

2000年v2.0

电气特性差异：逻辑电平定义、限流、相关限制

I2C的Hi/Lo逻辑电平有两种识别方法：相对识别和绝对识别，相对识别是基于Vdd决定电压，Hi为0.7Vdd，Lo为0.3Vdd，绝对认定与TTL准位识别相同，直接指定Hi/Li电压，Hi为3.0V，Lo为1.5V。相对的SMBus电平和I2C有异，Hi为2.1V，Lo为0.8V，与I2C不完全一致，但也算部分交集。

不过，SMBus后来还增加了一套较低电压的电平识别，Hi为1.4V，Lo为0.6V，这是为了使用SMBus该装置可以节省更多的成本。

了解电压后是电流，因为SMBus刚开始用在笔记本电脑上，所以省电性能优于I2C，只需100uA能持工作，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最大漏电流为10uA，SMBus为1uA，但是1uA似乎过于严厉，使运用SMBus该装置在验证测试过程中消耗了过多的成本和心力，因此之后SMBus 1.1版放宽了漏电流的上限，最高可达5uA。

而且是相关限制，I2C限制线路电容，SMBus却没有，但也有相类似的配套规范，即是电平下拉时的电流限制，当SMBus集电极开路Pin导线接地时，流经接地的电流不得超过350uA，另上电流（即相同集电极开路Pin开路时也有规范，最小不少于100uA，最高也不破350uA的。

由于对电流有限制，也很容易推断上拉电阻的电阻范围要求，I2C在5V Vdd时当大于1.6kohm，在3V Vdd时当大于1kohm，类似的SMBus于5V Vdd时当大于14kohm，3V Vdd时当大于8.5kohm，但这一定义并非牢不可破，就一般实践而言，在SMBus上也可用2.4k?3.9kohm类阻值。

附注：I2C的时钟线称SCK或SCL，数据线称SDA。SMBus的时钟线称SMBCLK，数据线称SMBDAT。

I2C与SMBus逻辑位准的电压定义不同，基本上I2C定义丰富灵活，SMBus更注重省电要求。

时差和测试

物理空间要求完成后，物理时间，即时序（Timing）方面的差别。

以操作频率为例，I2C这方面相当宽裕，最低频率可达0Hz(直流状态等于时间暂停)，高可达100kHz（Standard Mode）、400kHz（Fast Mode）、乃至3.4MHz（High Speed Mode），相对的SMBus非常有限，最慢不慢于10kHz，最快不快于100kHz。很明显的，I2C与SMBus交叉运行频率为10kHz?100kHz间。

用于笔记本电脑的电池管理或PC组态管理和用电管理SMBus，很容易理解为什么不需要更高的操作频率，只要传输小数据量的监督信息，控制指令不需要太高速，而是广泛使用I2C自然希望用更高的传输来满足各种可能的需求。然而，人们可能会想，为什么SMBus要求最低速度？何不放松到和I2C同样的无最低速限制呢？

SMBus一定要维持10kHz上述操作频率主要用于管理和监控。另一个目的是在保持一定速度的情况下添加参数，轻松了解总线是否闲置（Idle）在逐一检测传输过程中，省去了停止（STOP）信号，或持续保持停止检测，辅以额外参数检测，使总线闲置后的再利用更有效、更快。

传速要求后还有数据保持时间（Data Hold Time）的要求，SMBus规定SMBCLK线路电平下降后，SMBDAT数据必须保留300nS，但I2C但对此没有同样的强制要求。

类似的，SMBus重置对接口（Reset）后期恢复时间（Timeout）一般来说，35也有要求mS，I2C这方面没有约束，可以随意延长时间。相同的SMBus无论是在主控端还是在主控端（Master）或受控端（Slave），其频率处于Lo电平时的最长持续时间不得超过限制，以免长时间停留Lo准位，导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信号的上升时间和下降时间也有不同的细节要求，必要时必须确认，或在验证过程中稍加注意。

Smart Battery或ACPI底层需要实现、监督和控制SMBus作为后援，图为简单的多组智能电池系统，图中有Smart Battery A、B两组电池。

「已妥」与「未妥」机制的强制性差异

不仅电气和时序不同，更深层次的协议机制也不同。在I2C在中间，发送端（主控端）与接收端（控制端）通信之前，控制端的地址信息将在总线上广播，每个接收端将收到地址信息，但只有符合地址信息的接收端将在地址信息发布后发布「已妥」的回应（Acknowledge；ACK），让发送端知道相应的接收端已经准备好了，可以通信。

但是，I2C没有强制性规定接收端必须响应或保持沉默。即使它保持沉默，发送端也会继续工作，开始传输数据并发布阅读/编写指令。这种机制在一般应用中仍然是可行的，但如果是实时的话（Real Time）在性应用中，任何动作和机制都有一定的时限要求，这种可有可无的响应方法会产生问题，受控端可能无法接收信息。

同样的情况，在SMBus接收地址信息后不允许接收端回应，每次都要回应。为什么要强制回应？其实与SMBus应用密切相关，SMBus上面连接的控制装置有时是动态添加和动态删除的，例如更换新电池或连接笔记本电脑DOCK PORT等等，如果接入装置已经改变但没有响应，则主控端程序不会掌握整个系统的最新组态，这将导致误动作。

类似的情况也适用ACPI，PC通常有一些设备可以在机器内外动态添加和删除，如机器内的风扇、外部打印机等，这些设备也应强制响应主控端的群发（广播）地址信息。

地址动作不同，数据传输也不同。在I2C方面，Slave虽然对Master响应发出的地址，但在后续的数据传输中，由于某些事务必须先处理，原始传输可能无法继续，此时Slave就要对Master发出「未妥」的回应（Not Acknowledge；NACK），向Master表示Slave为他忙碌。

而SMBus方面，与I2C同样的，会NACK的回讯向Master表达Slave传递的信息还没有收妥，但是SMBus的Slave每一个都会在后续Byte所有的传输都发出NACK回样设计的原因是回复SMBus没有别的可向性Master要求重发（Resend）的表示法。更直接地说：NACK机制是SMBus任何信息传递都是必要的，不允许有遗漏。

I2C在完成地址或数据信息或数据信息的传输后发送信息（ACK）、未妥（NACK的响应，SMBus也有相同的机制，但由于应用，有更强制性的回显要求。

传输协议子集、超集

互动知会机制是否强制存在差异，协议也存在差异。SMBus事实上，通信协议和协议中使用的信息格式仅取自I2C在规范中，数据传输格式定义中的子集合（Subset）而已。所以，如果是I2C与SMBus交混连接，然后I2C装置在存取SMBus只能使用装置SMBus如果使用范畴的协议和格式I2C相反，标准存取方法无法正确存取。

另外，I2C规范中有一叫做「General Call」当发出广呼方式「0000000」所有地址信息I2C上的Slave装置的统一应对此进行反应，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，不过这必须于频率线与数据线外再追加一条线（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#，#表示低电平有效），这时就等于向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要响应这个服务要求，是透过I2C/SMBus的频率线与数据线来通讯，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响应？

这主要是透过Master发出的地址信息来区别，若为回应中断的服务，地址信息必然是「0001100」，当Slave接收到「0001100」的地址信息，就知道这是Master特为中断而提供的服务通讯。

因此，软件工程师须留心，规划时必须让所有的Slave都不能占用「0001100」这个地址，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的短寻址中订立了一些为自用而保留的地址，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软件的麻烦。

补充提醒的是，SMBSUS一样是开集电极外加上拉电阻的线路，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进行中断需索与响应服务，须等待抢到中断服务权的Slave确实被服务完毕，重新将SMBSUS释放回高电平后，才能持续以「看谁能先将线路电平拉低？」的方式来争取中断服务。

转载自郭长祐博客