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

　　由于MCU具有小巧靈活,、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)時(shí)需要較多的I/O口，而許多應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)或幾個(gè)單片機(jī)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(jī)中都集成了SMBus(System Management Bus)總線，主要是希望通過(guò)一條廉價(jià)并且功能強(qiáng)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(guò) SMBus，而不是使用單獨(dú)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(jī)與多個(gè)從設(shè)備同時(shí)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(duì)總線的讀寫(xiě)操作都是以字節(jié)為單位,，由SMBus接口自動(dòng)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(gè)總線上可以有多個(gè)主器件,。SMBus提供SDA(串行數(shù)據(jù))控制,、SCL(串行時(shí)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(gè)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(xiě))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(dòng),，主器件還提供串行時(shí)鐘。SMBus接口可以工作在主方式或從方式,?？偩€上可以有多個(gè)主器件，如果二個(gè)或多個(gè)主器件同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸,，則仲裁機(jī)制保證有一個(gè)主器件會(huì)贏得總線,。
　　一次典型的SMBus數(shù)據(jù)傳輸包括一個(gè)起始條件(Start)、一個(gè)地址字節(jié)(位7～1：7位從地址,；位0：R/W方向位),、一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個(gè)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(shí)表示這是一個(gè)“讀”(READ)操作,，為邏輯0時(shí)表示這是一個(gè)“寫(xiě)”(WRITE)操作。
　　所有的數(shù)據(jù)傳輸都由主器件啟動(dòng),，可以尋址一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)從器件,。主器件產(chǎn)生一個(gè)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(gè)從主器件到從器件的寫(xiě)操作,，則主器件每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后等待來(lái)自從器件的確認(rèn)。如果是一個(gè)讀操作,，則由從器件發(fā)送數(shù)據(jù)并等待主器件的確認(rèn),。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，主器件產(chǎn)生一個(gè)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(gè)主器件只能在總線空閑時(shí)啟動(dòng)一次傳輸。在一個(gè)停止條件之后或SCL和SDA保持高電平已經(jīng)超過(guò)了指定時(shí)間時(shí),，總線是空閑的,。二個(gè)或多個(gè)主器件可能在同一時(shí)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(jī)制迫使一個(gè)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(gè)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(guò)程，而未贏得總線的器件成為從器件,。該仲裁機(jī)制是非破壞性的,因?yàn)榭倳?huì)有一個(gè)器件贏得總線,，不會(huì)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(shí)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(dòng)的SMBus0應(yīng)用為例來(lái)重點(diǎn)說(shuō)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(shí)鐘,。SMBus0接口首先產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(gè)“寫(xiě)”操作。SMBus0接口發(fā)送一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的串行數(shù)據(jù),，并在每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后等待由從器件產(chǎn)生的確認(rèn)信號(hào)(ACK),。最后，為了指示串行傳輸?shù)慕Y(jié)束,，SMBus0產(chǎn)生一個(gè)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(shí)鐘,。SMBus0接口首先產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(gè)“讀”操作,。SMBus0接口接收來(lái)自從器件的串行數(shù)據(jù)并在SCL輸出串行時(shí)鐘。每收到一個(gè)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(gè)ACK或NACK,。最后,，為了指示串行傳輸?shù)慕Y(jié)束，SMBus0產(chǎn)生一個(gè)停止條件,。
1.4 SMBus特殊功能寄存器
　　對(duì)SMBus串行接口的訪問(wèn)和控制是通過(guò)5個(gè)特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的:控制寄存器SMB0CN,、時(shí)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(shí)鐘速率寄存器用于控制主方式下串行時(shí)鐘SCL的頻率,；SMB0ADR保存SMBus0接口的從地址,。下面將重點(diǎn)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(rèn)（AA）,、中斷標(biāo)志（SI）和超時(shí)允許等。該寄存器中的所有位都可以用軟件讀或?qū)?，有二個(gè)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(gè)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(gè)可能的SMBus0狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)有一個(gè)惟一的狀態(tài)碼與之對(duì)應(yīng),。狀態(tài)碼的高5位是可變的,，而一個(gè)有效狀態(tài)碼的低3位固定為0(當(dāng)SI=1時(shí))，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(shí)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(hào)片上系統(tǒng),。所以，該例中用C8051F020通過(guò)SMBus與三個(gè)16位地址空間的8KB字節(jié)E2PROM進(jìn)行通信傳輸。它們之間由SCL和SDA連接起來(lái),。多個(gè)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(gè)地址選擇管腳用來(lái)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(gè)字節(jié)的地址空間,，這意味著在READ和WRITE操作過(guò)程中要多傳送一個(gè)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(hào)時(shí),，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?yàn)镾MBus寫(xiě)函數(shù)SM_Send,，它一次將一字節(jié)寫(xiě)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(xiě)函數(shù)
//chip_select為被寫(xiě)的設(shè)備E2PROM的地址
//byte_address為被讀的存儲(chǔ)單元的地址
//out_byte為要寫(xiě)入存儲(chǔ)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(rèn)
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(xiě)數(shù)據(jù)
STO=0；　　　　　//發(fā)送一個(gè)停止條件
STA=1；　　　　　//開(kāi)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(chǔ)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(rèn)
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(rèn)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(rèn)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(yǔ)
　　SMBus具有可靠性高以及接線方便的特點(diǎn)，而且具有SMBus總線接口的外圍芯片也很多,，所以應(yīng)用起來(lái)非常方便,。在本文應(yīng)用舉例中，實(shí)現(xiàn)了二個(gè)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(cè)到仲裁丟失,，會(huì)立即釋放SDA和SCL線,。以后如未檢測(cè)到停止條件，可能會(huì)引起死循環(huán),。為此,，應(yīng)使用軟件超時(shí)來(lái)控制這種情況，以保證系統(tǒng)能夠退出。
參考文獻(xiàn)
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