摘 要： 在介紹C8051F串行通信總線SMBus的特點及功能的基礎(chǔ)上，重點介紹了其協(xié)議、總線仲裁、寄存器以及C8051F02x與多個EEPROM串行通信的實現(xiàn)，并給出了部分應(yīng)用程序。
關(guān)鍵詞： C8051F單片機  片上系統(tǒng)  SMBus總線  總線仲裁

　　由于MCU具有小巧靈活、價格低廉的特點，所以在控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸總線的選擇是重要的環(huán)節(jié)。并口傳輸速度雖快，但是實現(xiàn)時需要較多的I/O口，而許多應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計又必須兼顧低成本、高可靠性、高效率三方面，所以經(jīng)常要求在一個或幾個單片機和若干外圍器件之間傳送短的數(shù)據(jù)。目前，大部分C8051F單片機中都集成了SMBus(System Management Bus)總線，主要是希望通過一條廉價并且功能強大的總線（由二條線組成）控制主板上的設(shè)備并收集相應(yīng)的信息。使用 SMBus 的系統(tǒng)中，設(shè)備之間發(fā)送和接收消息都是通過 SMBus，而不是使用單獨的控制線，這樣可以節(jié)省設(shè)備的管腳數(shù)。SMBus的數(shù)據(jù)傳輸率比較低，可允許單一主機與多個從設(shè)備同時收發(fā)數(shù)據(jù)。
1  系統(tǒng)管理總線SMBus
　　SMBus是1995年由Intel提出的一種雙線通信專利技術(shù)，它完全符合系統(tǒng)管理總線規(guī)范1.1版，與I2C串行總線兼容。系統(tǒng)控制器對總線的讀寫操作都是以字節(jié)為單位，由SMBus接口自動控制數(shù)據(jù)的串行傳輸。SMBus可以工作在主方式和(或)從方式，一個總線上可以有多個主器件。SMBus提供SDA(串行數(shù)據(jù))控制、SCL(串行時鐘)產(chǎn)生和同步、仲裁邏輯以及起始/停止的控制和產(chǎn)生電路。有三個與之相關(guān)的特殊功能寄存器：配置寄存器SMB0CF、控制寄存器SMB0CN及用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器SMB0DAT。
1.1 SMBus協(xié)議
　　SMBus有二種可能的數(shù)據(jù)傳輸類型：從主發(fā)送器到所尋址的從接收器(寫)和從被尋址的從發(fā)送器到主接收器(讀)。這二種數(shù)據(jù)傳輸都由主器件啟動，主器件還提供串行時鐘。SMBus接口可以工作在主方式或從方式?？偩€上可以有多個主器件，如果二個或多個主器件同時啟動數(shù)據(jù)傳輸，則仲裁機制保證有一個主器件會贏得總線。
　　一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸包括一個起始條件(Start)、一個地址字節(jié)(位7～1：7位從地址；位0：R/W方向位)、一個或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個停止條件(Stop)。方向位占據(jù)地址字節(jié)的最低位，當(dāng)被設(shè)置為邏輯1時表示這是一個“讀”(READ)操作，為邏輯0時表示這是一個“寫”(WRITE)操作。
　　所有的數(shù)據(jù)傳輸都由主器件啟動，可以尋址一個或多個目標(biāo)從器件。主器件產(chǎn)生一個起始條件，然后發(fā)送地址和方向位。如果本次數(shù)據(jù)傳輸是一個從主器件到從器件的寫操作，則主器件每發(fā)送一個數(shù)據(jù)字節(jié)后等待來自從器件的確認。如果是一個讀操作，則由從器件發(fā)送數(shù)據(jù)并等待主器件的確認。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，主器件產(chǎn)生一個停止條件，結(jié)束數(shù)據(jù)交換并釋放總線。
1.2 總線仲裁
　　一個主器件只能在總線空閑時啟動一次傳輸。在一個停止條件之后或SCL和SDA保持高電平已經(jīng)超過了指定時間時，總線是空閑的。二個或多個主器件可能在同一時刻產(chǎn)生起始條件。由于產(chǎn)生起始條件的器件并不知道其他器件也正想占用總線，所以使用仲裁機制迫使一個主器件放棄總線。這些主器件繼續(xù)發(fā)送起始條件，直到其中一個主器件發(fā)送高電平，而其他主器件在SDA上發(fā)送低電平。贏得總線的器件繼續(xù)其數(shù)據(jù)傳輸過程，而未贏得總線的器件成為從器件。該仲裁機制是非破壞性的,因為總會有一個器件贏得總線，不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。
1.3 SMBus數(shù)據(jù)傳輸方式
　　SMBus接口可以被配置為工作在主方式和(或)從方式。在某一時刻，它將工作在下述四種方式之一：主發(fā)送器、主接收器、從發(fā)送器或從接收器。在本文的應(yīng)用舉例中，SMBus工作在主發(fā)送器和主接收器模式下。下面以中斷驅(qū)動的SMBus0應(yīng)用為例來重點說明這二種工作方式。當(dāng)然SMBus0也可以工作在查詢方式。
　　(1)主發(fā)送器方式
　　在SDA上發(fā)送串行數(shù)據(jù)，在SCL上輸出串行時鐘。SMBus0接口首先產(chǎn)生一個起始條件，然后發(fā)送含有目標(biāo)從器件地址和數(shù)據(jù)方向位的第一個字節(jié)。在這種情況下數(shù)據(jù)方向位(R/W)為邏輯0，表示這是一個“寫”操作。SMBus0接口發(fā)送一個或多個字節(jié)的串行數(shù)據(jù)，并在每發(fā)送完一個字節(jié)后等待由從器件產(chǎn)生的確認信號(ACK)。最后，為了指示串行傳輸?shù)慕Y(jié)束，SMBus0產(chǎn)生一個停止條件。
　　(2)主接收器方式
　　在SDA上接收串行數(shù)據(jù)，在SCL上輸出串行時鐘。SMBus0接口首先產(chǎn)生一個起始條件，然后發(fā)送含有目標(biāo)從器件地址和數(shù)據(jù)方向位的第一個字節(jié)。在這種情況下數(shù)據(jù)方向位(R/W)應(yīng)為邏輯1，表示這是一個“讀”操作。SMBus0接口接收來自從器件的串行數(shù)據(jù)并在SCL輸出串行時鐘。每收到一個字節(jié)后，SMBus0接口根據(jù)寄存器SMB0CN中AA位的狀態(tài)產(chǎn)一個ACK或NACK。最后，為了指示串行傳輸?shù)慕Y(jié)束，SMBus0產(chǎn)生一個停止條件。
1.4 SMBus特殊功能寄存器
　　對SMBus串行接口的訪問和控制是通過5個特殊功能寄存器來實現(xiàn)的:控制寄存器SMB0CN、時鐘速率寄存器SMB0CR、地址寄存器SMB0ADR、數(shù)據(jù)寄存器SMB0DAT和狀態(tài)寄存器SMB0STA。SMB0DAT將保存要發(fā)送或剛接收的串行數(shù)據(jù)字節(jié)；SMB0CR時鐘速率寄存器用于控制主方式下串行時鐘SCL的頻率；SMB0ADR保存SMBus0接口的從地址。下面將重點介紹控制寄存器和狀態(tài)寄存器。
　　(1)控制寄存器SMB0CN
SMBus控制寄存器SMB0CN用于配置和控制SMBus0接口，操縱所有SMBus的狀態(tài)信息。它包括起始標(biāo)志(STA)、停止標(biāo)志（STO）、確認（AA）、中斷標(biāo)志（SI）和超時允許等。該寄存器中的所有位都可以用軟件讀或?qū)懀卸€控制位SI和STO受SMBus0硬件的影響。圖1為SMBus控制寄存器圖。

　　(2)狀態(tài)寄存器SMB0STA
　　狀態(tài)寄存器SMB0STA保存一個8位的狀態(tài)碼，用于指示SMBus0接口的當(dāng)前狀態(tài)，共有28個可能的SMBus0狀態(tài)，每個狀態(tài)有一個惟一的狀態(tài)碼與之對應(yīng)。狀態(tài)碼的高5位是可變的，而一個有效狀態(tài)碼的低3位固定為0(當(dāng)SI=1時)，因此所有有效的狀態(tài)碼都是8的整數(shù)倍，這使得在軟件中用狀態(tài)碼作為轉(zhuǎn)移到正確的中斷服務(wù)程序的索引變得很容易。在本文的應(yīng)用舉例中，SMBus主要工作在主發(fā)送器、主接收器和主發(fā)送器/主接收器方式，并且在中斷服務(wù)程序中用到了這些狀態(tài)碼。
2  SMBus通信實現(xiàn)
　　C8051F具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，是真正的混合信號片上系統(tǒng)。所以，該例中用C8051F020通過SMBus與三個16位地址空間的8KB字節(jié)E2PROM進行通信傳輸。它們之間由SCL和SDA連接起來。多個E2PROM的通信配置如圖2所示。將C8051F020設(shè)置為主發(fā)送器，chip_A、chip_B、chip_C設(shè)置為從接收設(shè)備。有A0～A2三個地址選擇管腳用來設(shè)置E2PROM的地址。高四位統(tǒng)一設(shè)置為‘0101’，低四位分別是000.001.010。所以從設(shè)備的地址是：chip_A=1010000，chip_B=1010001，chip_C=1010010。

　　由于E2PROM有二個字節(jié)的地址空間，這意味著在READ和WRITE操作過程中要多傳送一個字節(jié)的地址（如圖3所示）。當(dāng)中斷服務(wù)程序收到“數(shù)據(jù)已傳輸，接收到ACK”的狀態(tài)信號時，它必須知道已傳送的是高地址字節(jié)、低地址字節(jié)還是數(shù)據(jù)字節(jié)。程序中，BYTE_NUMBER變量將保存該信息。

　　下面的程序為SMBus寫函數(shù)SM_Send，它一次將一字節(jié)寫入指定的E2PROM中；SMBus讀函數(shù)SM_Receive，它將從指定的E2PROM中讀出一字節(jié)信息；最后，給出了中斷服務(wù)程序。
//SMBus寫函數(shù)
//chip_select為被寫的設(shè)備E2PROM的地址
//byte_address為被讀的存儲單元的地址
//out_byte為要寫入存儲單元的數(shù)據(jù)
void SM_Send(char chip_select，unsigned int byte_address，
char out_byte)
{
while(SM_BUSY)；　　//等待SmBus空閑
SM_BUSY=1；　　　　//占用SMBus總線
SMB0CN=0x44；　　　　　//使能SMBus，在應(yīng)答周期內(nèi)返回確認
BYTE_NUMBER=2；                              //地址為二字節(jié)
COMMAND=(chip_select | WRITE)；　　//Chip select+ WRITE
HIGH_ADD=((byte_address >> 8) & 0xFF)；　//高八位地址
LOW_ADD=(byte_address & 0xFF)；　　//低八位地址
WORD=out_byte；//寫數(shù)據(jù)
STO=0；　　　　　//發(fā)送一個停止條件
STA=1；　　　　　//開始傳輸數(shù)據(jù)
}
//SMBus讀函數(shù)
//chip_select為被讀設(shè)備E2PROM的地址
//byte_address為被讀存儲單元的地址
char SM_Receive(char chip_select，unsigned int byte_address)
{
while(SM_BUSY)；　　//等待總線空閑；
SM_BUSY=1；　　　//占用SMBus；
SMB0CN=0x44；　　//使能enabled，在應(yīng)答周期內(nèi)返回確認
BYTE_NUMBER=2；
COMMAND=(chip_select | READ)；//Chip select+ READ
HIGH_ADD=((byte_address >> 8) & 0xFF)；
LOW_ADD=(byte_address & 0xFF)；
STO=0；
STA=1；
while(SM_BUSY)；　　　//等待傳輸完畢
return WORD；
}
　　　　　　　　　　//SMBus中斷服務(wù)程序
void SMBUS_ISR (void) interrupt 7
{
　　switch(SMB0STA){　　//SMBus的狀態(tài)碼(SMB0STA寄存器)
    　case SMB_START：　　//SMB_START＝0x08
  　  　  SMB0DAT=(COMMAND & 0xFE)；//將從地址＋R/W
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//裝入到SMB0DAT
　　　  STA=0；                                //STA清‘0’
  　　　 break
        case SMB_RP_START：　　//SMB_RP_START=0x10
  　　　SMB0DAT=COMMAND；　　//將從地址＋R裝入
                                                        　　  //到SMB0DAT
  　　　STA=0；
  　　　 break；
        case SMB_MTADDACK：　　//SMB_MTADDACK=0x18
  　　　SMB0DAT=HIGH_ADD；　　//將高地址裝入SMB0DAT
  　　　break；
    　case SMB_MTADDNACK：　　　//SMB_MTADDNACK=0x20
  　　　STO=1；　　　　//確認查詢重試
  　　　STA=1；
  　　　break；
    　case SMB_MTDBACK：　　//SMB_MTDBACK=0x28
  　　　switch (BYTE_NUMBER){
　　　case 2：　　　　　　　　//如果BYTE_NUMBER=2，僅高地址已發(fā)送
 　　　SMB0DAT=LOW_ADD；
 　　　BYTE_NUMBER--；
    　 　break；
     　case 1：　　　　　　　//如果BYTE_NUMBER=1，LOW_ADD已發(fā)送
　　　   if(COMMAND & 0x01){　　//如果R/W=READ，
　　　　　　　　　　　　　　　//重復(fù)發(fā)送START
　　       　　STO=0；
      　　　　 STA=1；
   　　　} else {
        　  SMB0DAT=WORD；　　//如果R/W=WRITE，
　　　　　　　　　　　//準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)
        　  BYTE_NUMBER--；
   　　   }
   　　   break；
     default：　　　　　//如果BYTE_NUMBER=0，傳輸結(jié)束
     STO=1；
     SM_BUSY=0；　　//釋放SMBus
     }
     break；
case SMB_MTDBNACK：//SMB_MTDBNACK=0x30
     STO=1；　　　　//重試傳輸，置為STO
     STA=1；
     break；
case SMB_MTARBLOST：//SMB_MTARBLOST=0x38
     STO=1；　　　　//重試傳輸
     STA=1；
     break；
case SMB_MRADDACK：//SMB_MRADDACK=0x40
     AA=0；　　　//清AA，等待接收數(shù)據(jù)
     break；
case SMB_MRADDNACK：//SMB_MRADDNACK=0x48
     STO=0；　　　//確認查詢重試
     STA=1；
     break；

case SMB_MRDBACK：　//SMB_MRDBACK=0x50
     STO=1；
     SM_BUSY=0；
     break；
     case SMB_MRDBNACK：//SMB_MRDBNACK=0x58
     WORD=SMB0DAT；
     STO=1；
     SM_BUSY=0；　　//釋放SMBus
     break；

default：
     STO=1；　　　　　//重新安排通訊
     SM_BUSY=0；
     break；
}
SI=0；                                       //清中斷標(biāo)志
}
3  結(jié)束語
　　SMBus具有可靠性高以及接線方便的特點，而且具有SMBus總線接口的外圍芯片也很多，所以應(yīng)用起來非常方便。在本文應(yīng)用舉例中，實現(xiàn)了二個以上的多設(shè)備通信。但需要注意的是：在主發(fā)送、接收方式下，一旦SMBus檢測到仲裁丟失，會立即釋放SDA和SCL線。以后如未檢測到停止條件，可能會引起死循環(huán)。為此，應(yīng)使用軟件超時來控制這種情況，以保證系統(tǒng)能夠退出。
參考文獻
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