EC 所需知識 - SMBUS (2024-11-01)

Source: https://andychen15577.blogspot.com/2016/07/ec-smbus.html

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軟體工程師的第一步，先把相關的規範(Specification)了解清楚，就像開發一套軟體之前要先了解需求，才能做出一套符合需求的體。相同的EC工程師就是需要把 LPC / SMBUS / PS2 / Smart Battery 的相關知識，清楚明瞭再進下一步。

SMBUS

SMBus [System Management Bus] 是由Intel所制訂的，主要由兩條線組成，其一為CLOCK線，另一條為DATA線。其作用是讓系統監控者透過SMBus來蒐集系統上裝置的資訊如電池的容量、CPU的溫度等，讓系統監控者可以依照所得的資訊通知作業系統做電源管理的處理。在筆記型電腦系統中的ACPI-EC為SMBus的主控者 [Host] 來蒐集SMBus上的裝置資訊回報給作業系統，讓作業系統依使用者的設定做系統電源的管理。
SMBus相關的規格包含SMBus、Smart Selector、Smart Charger及Smart Battery都是ACPI-EC工程師需要瞭解的規格，以下的章節將會詳盡的介紹各個規格的資訊。

SMBUS Specification

Hardware Define

SMBUS 的硬體線路 –SMBUS由二條線所組成，所有的SMBUS的裝置都並聯在SMBUS上，因此，SMBUS上的所有裝置都需要使用Open collection 或者 Open drain才允許跨接在SMBUS上面，因此線路上必須加上提升電阻來確認SMBUS上的訊號可以正確無誤的傳遞。
如同上圖，有時侯 SMBUS 上會有不同 VDD 的裝置，所以一般在輸入接腳會加稽納二極體保護裝置。不過大部分的作法，會使用電壓緩衝IC來處理不同電壓的 I2C 裝置。
SMBUS電氣上的要求

名稱	說明	值域		單位
名稱	::::	下限	上限	單位
VIL	輸入低電位		0.8	V
VIH	輸入高電位	2.1	VDD	V
VOL	輸出為低電位		0.4	V
PULLUP	提升電流值	100	350	uA
VDD	工作電壓	2.7	5.5	V

SMBUS的時脈要求

名稱	說明	值域		單位
名稱	說明	下限	上限	單位
FSMB	工作頻率	10	100	KHz
TBUF	SMBUS淨空閒置時間	4.7		us
HD:DAT	資料穩定後需保持的時間	300		ns
TSU:DAT	資料變動的時間	250		ns
TTIMEOUT	取得時脈的時間限制	25	35	ms
TLOW	時脈為LOW的時間	4.7		us
THIGH	時脈為HIGH的時間	4.0	50	us
TF	時脈及資料的下降時間		300	ns
TR	時脈及資料的上升時間		1000	ns

SMBUS針對熱插拔的裝置特別要求針對ESD加入保護線路
- ESD的保護線路包含一個串接電阻及一個並接的電容，電阻的值域要小於1.1KΩ。在HOST端要有過電壓保護的稽納二極體。
Data Define
- SMBUS的資料需在CLOCK高電位時前就要穩定下來，因為SMBUS是利用CLOCK在高電位時，讀取得資料。CLOCK低電位時，寫入資料供下個位元讀取。不過一般 IC 設計會在 Clock rising 時，讀取資料；在Clock falling 時，寫入新的資料。
- SMBUS傳輸資料的開始及結束訊號，開始訊號為CLOCK保持高電位，DATA由高電位轉為低電位。結束訊號為CLOCK保持高電位，DATA由低電位為轉為高電位。
- SMBUS傳遞的資料封包
- SMBUS的資料封包由START → DATA → ACK → … → STOP結束。
- 若MASTER端傳送資料給SLAVE端的話，SLAVE端會把ACK拉LOW表示已收到資料，若MASTER端讀取SLAVE端資料的話，MASTER會把ACK拉LOW表示讀取成功。

SMBUS的仲裁制度

當有二個以上的MASTER位在同一個BUS上時，就容易發生在閒置的時間內，由二個以上的MASTER要傳送資料給SLAVE的衝突發生，此時的仲截會依序每個CLOCK檢查誰先由低電位轉成高電位就失去主導權。如圖在第三個CLOCK時，Tramsmitter由低電位轉為高電位而失去SMBUS的主導權。因此，SMBUS裝置的位址愈低表示權限愈高。
SMBUS的每一個裝置都會有一個位址做為裝置的識別，BIT7-BIT1為SMBUS裝置位址，BIT0用來識別是讀取還是寫入。

SMBUS的各種傳輸協定的封包

Quick Command - 通常使用來掃描在SMBUS上的裝置位址。
Send Byte - 通常用和 I2C 裝置溝通
Recieve Byte - 通常用和 I2C 裝置溝通
Write Byte
Write Word
Write Block
Read Byte
Read Word
Read Block

Smart Battery Selector Specification

Smart Battery Selector來選擇那一個電池來源來提供電力。下圖是一個完整的SMBUS裝置的方塊圖。
Smart Battery Selector的設計是以四個電池為極限來設計SMBUS的系統，並以A/B/C/D來命名四個電池。Smart Battery Selector只提供3個指令給HOST，以下針對每個指令說明：
Command 0x01 – SelectorState [R/W]
- PRESENT – 表示系統上有多少電力來源
- CHARGE – 表示那個電池正在充電
- POWER_BY – 表示由那個電力來源提供系統電力
- SMB – 表示那個電池連接在系統的SMBUS上
Command 0x02 – SelectorPreset [R/W]
- OK_TO_USE – 表示電池是好的
- USE_NEXT – 表示由那一個電池接續提供電力
Command 0x04 – SelectorInfo [R]

欄位名稱	BIT	說明
電池數目	0-3	表示有幾個電池，每個BIT表示一個電池。 0001 – 表示一個電池 0011 – 表示二個電池
版本	4-7	表示Smart Selector的版本 0001 – version 1.0 0010 – version 1.1 0011 – version 1.1 with PEC檢測
充電指示	8	表示Smart Selector需不需送出電池充電狀態給Smart Charger. 0 – 表示不需要 1 – 表示需要
保留	9-15

Smart Battery Charger Specification

Smart Battery Charger就是提供Smart Battery充電的系統，依照其提供的功能不同可分為LEVEL2及LEVEL3兩種：
LEVEL2 – Smart Battery Charger由Smart Host或Smart Battery經SMBUS提供充電電壓及電流給Smart Battery Charger，Smart Battery Charger調節其輸出來對電池充電。
LEVEL3 - Smart Battery Charger可以和LEVEL2一樣由Smart Host或Smart Battery提供充電電壓及電流。也可以由Smart Battery Charger讀取Smart Battery的狀態自行決定充電的電壓及電流。
Smart Battery或Embedded Control都是經由SMBUS的指令去控制Smart Charger對Smart Battery充電，Smart Charger支援的標準指令如下：
- Command 0x11 – Charger Specification Information
  - 取得Smart Charger的相關的資訊

Name	BIT	Value
CHARGE_SPEC	[3:0]	0001 – Version 1.0 0010 – Version 1.1 0011 – Version 1.1 with PEC
SELECTOR_SUPPORT	4	0 – Charger 不支援Selector 指令 1 –Charger 支援Selector 指令

Command 0x12 – Smart Charger Mode
- 取得Smart Charger Mode的值。

Name	BIT	Value
INHIBIT_CHARGE	0	0 – 支援電池充電　[ power on default ] 1 – 停止支援電池充電
ENABLE_POLLING	1	0 – 不支援讀取電池資訊 [ LEVEL2 default ] 1 – 支援讀取電池資訊 [ LEVEL3 default ]
FOR_RESET	2	0 – 不變動 smart charger mode 的值 1 – 變動smart charger mode 成預設值
RESET_TO_ZERO	3	0 – 不變動電池的充電值 [ default ] 1 – 將電池的充電值都變成 0

Command 0x13 – Charger Status
- 取得Smart Charger Status的值。

Name	BIT	Value
CHARGE_INHIBITED	0	0 – 支援電池充電 1 – 停止支援電池充電
POLLING_ ENABLED	1	0 – Smart Charger為Slave-Mode 1 – Smart Charger為Master-Mode
VOLTAGE_NOTREG	2	0 – 輸出電壓在範圍內 1 – 要求的充電電壓不符合要求
CURRENT_NOTREG	3	0 – 輸出電流在範圍內 1 – 要求的充電電流不符合要求
LEVEL2/3	[5:4]	01 – LEVEL2 Charger 11 – LEVEL3 Charger
CURRENT_OR	6	0 – 有效的充電電流值 1 – 無效的充電電流值
VOLTAGE_OR	7	0 – 有效的充電電壓值 1 – 無效的充電電壓值
RES_OR	8	0 – 電池的等效阻值在範圍內 1 – 電池的等效阻值 > 95KΩ
RES_COLD	9	0 –電池的等效阻值在範圍內 1 –電池的等效阻值 > 28.5KΩ
RES_HOT	10	0 –電池的等效阻值在範圍內 1 –電池的等效阻值 < 3.15KΩ
RES_UR	11	0 –電池的等效阻值在範圍內 1 –電池的等效阻值 < 575Ω
ALARM_INHIBITED	12	0 – Charger出問題時可發出ALARM 1 –禁止Charger發出ALARM給MASTER
POWER_FAIL	13	0 – 輸入電壓正常 1 – 輸入電壓太低
BATTERY_PRESENT	14	0 – 系統上沒有電池 1 – 系統上有電池
AC_PRESENT	15	0 – 系統上沒有可充電的電源 1 – 系統上有AC可充電的電源

Command 0x14 – Charging Current
- 電池的充電電流，單位為mA
Command 0x15 – Charging Voltage
- 電池的充電電壓，單位為 mV
Command 0x16 – AlarmWarning
- 當Smart Battery或者 Embedded Control由Battery Status得知Smart Battery已經充飽或者發生不正常狀態，經由指令告知Smart Charger。

Smart Battery Specification

Smart Battery是用來收集電池內部的所有資訊經過SMBUS傳給系統的MASTER讓使用者可以知道電池的容量及相關的資訊。系統利用不同的SMBUS指令去取得電池的資料。標準的電池指令有：
Command 0x00 – Manufacture Access
- 保留指令給電池製造商使用，可以進入及離開設定模式，修改電池的管理屬性以符合電池的特性。
Command 0x01 – Remaining Capacity Alarm
- 電池容量低於預計值之下，控制器就會把ALARM BIT設起來
Command 0x02 – Remaining Time Alarm
- 電池可使用的時間低於預計值之下，控制器就會把ALARM BIT設起來
Command 0x03 – Battery Mode
- 電池的工作模式

Name	BIT	Value
INTERNAL_CHARGE_CONTROLLER	0	0 – 電池沒有包含充電器的能力 1 – 電池包含充電器的能力
PRIMARY_BATTERY_SUPPORT	1	0 – 只能設定為主要的電池 1 – 可設定主要或次要的電池
CONDITION_FLAG	7	0 – 電池的使用次數依一般計數 1 – 電池的使用次數要符合要求才計數
CHARGE_CONTROLLER_ENABLED	8	0 – 關閉電池內部充電器 1 – 開起電池內部充電器
PRIMARY_BATTERY	9	0 – 設定為次要的電池 1 – 設定為主要的電池
ALARM_MODE	13	0 – 允許電池將ALARM傳給HOST 1 – 不允許電池將ALARM傳給HOST
CHARGE_MODE	14	0 – 允許電池將充電電壓及電流傳給CHARGER或者HOST 1 – 不允許傳送充電電壓及電流
CAPACITY_MODE	15	0 – 電池容量的計數單位為mAH 1 – 電池容量的計數單位為10mWH

Command 0x04 – AtRate
- 計數電池容量的變化，單位分為電流(mA)或者電源(10mW)。
Command 0x05 – AtRateTimeToFull
- 使用AtRate的值來推算，電池充到飽所需剩餘的時間。單位為分鐘。
Command 0x06 – AtRateTimeToEmpty
- 使用AtRate的值來推算，電池放到空所剩餘的時間。單位為分鐘。
Command 0x07 – AtRateOK
- AtRate值等於0或者大於0的話為正值，反之為負值。
Command 0x08 – Temperature
- 電池內部的絕對溫度值，單位為°K
Command 0x09 – Voltage
- 電池的電壓值
Command 0x0A – Current
- 電池的電流值
Command 0x0B – Average Current
- 把前一分鐘內的電流值做平均
Command 0x0C – MaxError
- 電池顯示容量和實際容量的最大誤差值。電池的實際容量落於顯示容量到顯示容量加上MaxError的範圍之內。是利用 Design Capacity 和 Last Fully Charger Capacity 的比率來計算的。
Command 0x0D – Relative State Of Charge
- Remaining Capacity 和 Fully Charge Capacity的百分比值
Command 0x0E – Absolution State Of Charge
- Reaming Capacity 和 Design Capacity的百分比值
Command 0x0F – Remaining Capacity
- 電池現在的容量值
Command 0x10 – Full Charge Capacity
- 電池充到飽的容量，每次電池放電時會重新計時其值，一般在電池放電到6%時會更新其正確值。
Command 0x11 – Run Time To Empty
- 電池放電時，依據電流或功率損失值去計算電池剩餘的時間值。單位為分鐘。
Command 0x12 – Average Time To Empty
- 電池放電時，依據平均電流的值去計算電池剩餘的時間值。單位為分鐘。
Command 0x13 – Average Time To Full
- 電池充電時，依據平均電流的值去計算電池充至飽所需要的時間。
Command 0x16 – Battery Status
- 電池的狀態。

Name	BIT	Value
OVER_CHARGE_ALARM	15	1 – 電池發生充電過頭而停止充電
TERMINATE_CHARGE_ALARM	14	1 – 有停止充電的原因發生，電池停止充電
OVER_TEMP_ALARM	12	1 – 電池因溫度過高停止充電
TERMINATE_DISCHARGE_ALARM	11	1 – 有停止放電的原因發生，電池停止放電
REMAINING_CAPACITY_ALARM	9	1 – 電池的剩餘容量到達預設值而發生警告訊值
REMAINING_TIME_ALARM	8	1 – 電池的剩餘使用時間到達預設值而發生警告訊值
INITIAILIZED	7	1 – 電池初始化完成
DISCHARGING	6	1 – 電池正在放電
FULLY_CHARGED	5	1 – 電池充飽電
FULLY_DISCHARGED	4	1 – 電池的容量已被完成放空了
ERROR_CODE	[3:0]	0 – 沒有錯誤 1 – 電池正在收集內部資料 2 – 偵測到電池預留的指令 3 – 偵測到電池不支援的指令 4 – 被指定的資料只不支援寫入 5 – 電池的資料不在範圍之內 6 – 寫入的長度與規定不符 7 – 偵測到未知的錯誤

Command 0x17 – Battery Cycle
- 電池使用的次數。電池放電放到幾乎為0，再回充的次數。
Command 0x18 – Design Capacity
- 電池出廠時的標準容量。
Command 0x19 – Design Voltage
- 電池出廠時的標準電壓值。鋰電池為其平均電壓，一般都位於一個CELL約3.6到3.7 Voltage
Command 0x1A – Specification Information
- 電池的規格值

Name	BIT	Value
IPScale	[15:12]	Current Scale
VScale	[11:8]	Voltage Scale
Version	[7:4]	0001 – Version 1.0 0010 – Version 1.1 0011 – Version 1.1 with PEC

Command 0x1B – Manufacture Data
- 生產日期

Name	BIT	Value
Year	[15:9]	0-127 [ Base 1980 ]
Month	[8:5]	1-12
Day	[4:0]	1-31

Command 0x1C – Serial Number
- 電池的唯一識別碼
Command 0x20 – Manufacture Name
- 電池製造商的名稱
Command 0x21 – Device Name
- 電池的的裝置名稱
Command 0x22 – Device Chemistry
- 電池的化學特性。例如：鋰或鎳氫電池
Command 0x23 – Manufacturer Data
- 電池製造產生的資訊

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