低速总线：IIC和SMBUS
I²C（Inter-Integrated Circuit）和SMBus（System Management Bus）是两种广泛应用于嵌入式系统的串行通信总线协议，主要用于连接低速外设。以下是它们的核心技术对比与应用解析：
一、I²C总线
- 核心特性
协议层级：双线制（时钟SCL + 数据SDA）、半双工、多主多从架构。
通信速率：
- 标准模式（Standard Mode）：100 kbps
- 快速模式（Fast Mode）：400 kbps
- 高速模式（High-Speed Mode）：3.4 Mbps（需特殊硬件支持）
地址分配： - 7位地址（支持112个设备）或10位地址（扩展至1008个设备）。
- 保留地址（如广播地址0x00）用于特殊功能。
-
通信流程
起始条件（Start）：SCL高电平时SDA下降沿。
地址帧：主设备发送从机地址 + 读写位（1位，0写/1读）。
数据帧：每字节（8位）后跟随1位ACK/NACK确认信号。
停止条件（Stop）：SCL高电平时SDA上升沿。 -
典型应用
传感器接口：温度传感器（如LM75）、加速度计（MPU6050）。
EEPROM读写：存储配置参数（如AT24C系列）。
显示器控制：OLED屏幕（SSD1306）初始化配置。 -
硬件设计要点
上拉电阻：SCL/SDA需外接上拉电阻（典型值：4.7kΩ~10kΩ，依总线电容调整）。
冲突检测：多主模式下需支持总线仲裁（基于线与逻辑）。
信号完整性：长距离通信需考虑阻抗匹配（如加缓冲器）。
二、SMBus总线
- 核心特性
协议起源：基于I²C协议扩展，专为系统管理设计（如电池、电源、温度监控）。
通信速率：
- 固定速率：100 kbps（兼容I²C标准模式）。
增强功能： - 超时机制：强制限制SCL低电平时间（35ms），防止总线挂死。
- 电源管理：支持设备休眠唤醒（ALERT#信号）。
- 地址保留：预定义系统管理地址（如0x08~0x0F为SMBus主机控制器）。
- 关键协议差异
电气特性：
- 更严格的电压范围（VIL/VIH与I²C不同）。
- 上拉电阻范围更窄（推荐1kΩ~10kΩ）。
数据格式： - 强制使用PEC（Packet Error Checking，CRC-8校验）。
- 特定命令格式（如Block Read/Write支持多字节传输）。
总线复位： - 通过发送复位序列（9个SCL脉冲）强制从机复位。
- 典型应用
智能电池管理：读取电池电量、健康状态（SBS规范）。
服务器监控：CPU温度监控（如LM75SMBus版本）。
热插拔控制：支持设备热插拔检测（通过ALERT#信号）。
三、I²C vs SMBus核心对比
| 特性 | I²C | SMBus |
|---|---|---|
| 协议目标 | 通用低速外设通信 | 系统管理（电源、热控） |
| 速率灵活性 | 支持多速率模式 | 固定100kbps |
| 超时机制 | 无 | 强制SCL低电平超时 |
| 错误校验 | 无（需软件实现） | 硬件级PEC（CRC-8） |
| 电气兼容性 | 宽松 | 严格（电压/电流限制） |
| 热插拔支持 | 不直接支持 | 通过ALERT#信号实现 |
| 典型应用场景 | 传感器、EEPROM、显示器 | 电池管理、服务器监控 |
四、设计注意事项
兼容性问题：
- SMBus设备可连接至I²C总线，但I²C设备可能不满足SMBus的电气要求。
- 混合总线时需验证电压电平和时序参数。
上拉电阻计算：
- I²C：根据总线电容选择，公式：
KaTeX parse error: Can't use function '\(' in math mode at position 1: \̲(̲ R_{max} = \fra… - ，其中$ ( t_r ) $为上升时间。
- SMBus：推荐使用1kΩ~10kΩ（避免过大的下拉电流）。
协议冲突处理：
- I²C多主模式需硬件支持仲裁（如STM32的I²C外设）。
- SMBus主机需处理ALERT#中断并轮询设备状态。
调试工具：
- 使用逻辑分析仪抓取SCL/SDA波形（如Saleae Logic Pro）。
- 软件调试可借助Linux的i2c-tools（i2cdetect/i2cget等命令）。
五、选择依据
选I²C：简单外设、成本敏感、无需严格错误检测。
选SMBus：系统管理、热插拔支持、高可靠性场景。
通过理解两者的协议差异和应用场景，可更高效地设计嵌入式系统互联方案。