COM载板设计之三：I2C总线及其他信号

2.16 通用目的的I2C总线接口

COM Express定义5个I2C接口到模板连接器上供载板使用，5个接口中的3个用于特殊目的（VGA、LVDS及DVO），第4个接口用于SMBus，用于管理，第5个接口市通用目的的I2C接口，通用目的的I2C接口也可用于支持载板上的ROM，ROM里包含BIOS使用的载板PCIe映像信息。注意，并不是所有的COM Express模块支持这个特征。

对于这个通用的I2C总线接口，可能会由于软件支持上的问题限制了用户的使用，因为这需要驱动！

2.16.1 信号定义

信号

脚

描述

I/O

电源

I2C_CK

B33

I2C时钟

O CMOS

3.3V

I2C_DAT

B34

I2C数据

I/O CMOS

3.3V

I2C的时钟和数据线的上拉电阻在模板上已经有了。载板上不要有上拉电阻。

2.16.2 参考设计

如在载板上扩展一个EEPROM：

 

2.16.3 布线考虑

因为I2C总线是低速信号，所以，布线要求并不严格。

2.17 系统管理总线

SMBus主要用作管理外设，比如对RAM的串行存在检测（SPD）、温度传感器、PCI/PCIe设备、智能电池等。这些载板上的设备可以通过SMBus连接到模板上。设计者需要考虑一些因素以确保SMBus的操作。SMBus其实就是I2C总线，所以在传输信息时有可能会出现数据线死锁，这要求一个上电周期来清除这个错误条件。SMB器件包含一个超时电路，以监视和纠正这个错误。为了在系统S0-S5状态期间能够进行控制，模板上要求给SMBus总线设备提供Suspend电源，而载板上通常使用3.3V主电源供电。为避免载板上的主电源和模块Suspend电源间的漏电流，载板上的SMBus必须通过一个总线开关将模块的SMBus总线分离开。图43显示了这个电路。然而，如果载板也使用Suspend电源给SMBus器件供电，那么这些器件必须连接到SMBus侧的Suspend电源，也就是说，在COM Express模块和总线开关之间。

因为SMBus由模块和载板使用，所以必须注意确保载板上的器件地址不要覆盖模板上的地址空间。一般模块定义SMBus器件和它们的地址包括存储器SPD（串行存在检测：1010 000x，1010 001x），可编程时钟综合（1101 001x）、时钟缓冲（1101 110x）、温度传感器（1001 000x），管理控制器（厂家定义的地址）。请参考模块手册。

图43 SMBus分离：

2.17.1 信号定义

信号

脚

描述

I/O

电源

SMB_CK

B13

SMBus时钟线

I/O OD CMOS

3.3VSuspend电源

SMB_DAT

B14

SMBus数据线

I/O OD CMOS

3.3VSuspend电源

SMB_ALERT#

B15

SMBus报警

I CMOS

3.3VSuspend电源

 

2.17.2 参考设计

2.17.3 布线考虑

SMBus应当要不连接到所有的PCIe/PCI设备和插座上，要不一个也不要连接。通常并不推荐将这些设备连接到SMBus上。

SMBus最多连接3个外部器件。请参考模块的技术资料。

因为是低速信号，所以，布线要求并不严格。

2.18 其他信号

表32 其他类型的信号

信号

脚

描述

I/O

注释

Type0#

C54

指示COM板管脚的类型，为了指示模块的脚类型，这些脚在模块上悬空或者拉到地上。载板必须有附加的逻辑，在管脚不兼容的时候，防止系统打开电源。

O 5V PDS

 

Type1#

C57

Type2#

D57

SPKR

B32

输出，用来控制外部FET或一个逻辑门，用来驱动一个外部喇叭

O 3.3V CMOS

 

BIOS_DISABLE#

A34

输入，禁止模块BIOS Flash内存芯片，这个信号提供实现：安装在外部载板上的BIOS FLASH内存芯片的可能。

I 3.3V CMOS

参考2.15.2.3 LPC固件HUB

WDT

B27

输出，指示看门狗超时事件发生。

O 3.3V CMOS

 

KBD_RST#

A86

模块的输入信号，来自外部键盘控制器，强制系统复位

I 3.3V CMOS

 

KBD_A20GATE

A87

输入，外部键盘控制器控制CPU A20地址线的使用。A20地址线限制对系统最低1兆字节内存的存取。在模块内部上拉。

I 3.3V CMOS

 

GPO0

A93

通用目的的输出脚，用于系统特定的用处

O 3.3V CMOS

参考模块的用户手册

GPO1

B54

GPO2

B57

GPO3

B63

GPI0

A54

通用目的的输入脚，用于系统特定的用处。这些信号，模块内部都上拉

I 3.3V CMOS

参考模块的用户手册

GPI1

A63

GPI2

A67

GPI3

A85

2.18.1 模块类型检测

表33：模块类型的检测

模块类型

TYPE0#

TYPE1#

TYPE2#

 

模块Type1

X（无关）

X（无关）

X（无关）

 

模块Type2

NC

NC

NC

 

模块Type3

NC

NC

GND

无IDE接口

模块Type4

NC

GND

NC

无PCI接口

模块Type5

NC

GND

GND

无IDE、PCI接口

图45 模块类型2检测电路

如果模块不是类型2，那么PS_ON#信号不会变低，电源不会打开。注意，检测逻辑使用的电源是VCC_5V_SBY。

2.18.2 喇叭输出

PC-AT结构，提供一个喇叭控制信号，用来产生Beep响声，这个信号是一个数字逻辑信号，可以通过系统定时器来产生，当产生错误的时候，可以产生BEEP以作为报警提示，BIOS通常提供一个BEEP代码，用来指示硬件测试时候出现的故障类型，应用软件通常也使用BEEP声来提示一个错误。

这里的喇叭信号不要与音频CODEC产生的模拟音频信号相混淆，在许多系统中，PC-AT的喇叭信号送到音频CODEC输入中的一个，允许同别的音频信号混合在一起，可以在CODEC驱动下耳机音响里听到。

COM Express模块提供的喇叭输出被称为“SPKR”，由外部的FET或逻辑门驱动连接到一个PC喇叭上。这个喇叭可以是个蜂鸣器。

2.18.3 RTC电池

RTC（实时时钟）用来在COM板没有连接主电源的时候，提供时间和日期时钟电路的正常工作，通常使用+3V锂电池为RTC的时钟。COM Express定义了一个额外的电源脚“VCC_RTC”，用作将外部电池连接到RTC模块的电源上，规定电池的输入电压范围是+2.0V到+3.0V，“VCC_RTC”信号在A47脚上。

RTC电池电路需要有一个反接保护，可以通过一个SCHOTTKY二极管来实现，如下图。

这个电路的一个缺点是，由COM Express模块显示的电池电源监视结果可能会不正确，因为当系统允许的时候，漏电流的负载是电池电路的电容，这会导致在“VCC_RTC”脚上有一个较高的电压，从而引起监视结果的错误。

2.18.3.1 RTC电池寿命

RTC电池寿命决定系统电池替换的间隔时间。RTC电池电路的漏电流对电池的寿命影响是很大的，所以设计的时候，必须仔细考虑。

2.18.4 电源管理信号

COM Express定义了一些控制信号，用来控制系统的状态，比如上电和复位条件，这使得系统设计者能够实现ACPI全兼容系统。支持系统状态从S0到S5。一个ACPI兼容系统的最小硬件要求是一个ATX电源和电源按钮。

下面的表提供一个简洁的描述。

表34 系统状态S0-S5定义

系统状态

描述

电源状态

S0全部上电

系统全部工作，所以单元均供电

所有电源均上电

S1待机（PSO）

休眠状态，系统上下文不丢失，硬件维持所有系统上下文，在S1器件，系统地一些元器件处于低功耗状态

所有电源均上电

S2

不支持

 

S3 RAM待机（STR）

当前的系统状态和上下文存于主内存中，所有不必要的系统逻辑断电

仅主存和唤醒系统需要的逻辑由Suspend电源供电，所有其它电源均关闭。

S4磁盘待机（STD）

当前的系统状态和上下文存于磁盘中，所有不必要的系统逻辑断电。S4类似于S5，仅由OS支持

类似S5，所有其它电源均关闭

S5软件关机

在S5状态，系统切断电源，仅可能通过电源按钮或一个系统唤醒事件（比如WAKE ON LAN或者RTC报警）来重新启动，

Suspend电源供电，所有其它电源均关闭。

表35 电源管理信号描述

信号

脚

描述

I/O

注释

PWRBTN#

B12

电源按钮，低有效信号，用来将系统从S5状态唤醒，这个信号的下降沿触发。

I 3.3V Suspend CMOS

驱动>=10mA

SYS_RESET#

B49

复位输入信号，由外部电路驱动，比如一个复位按钮，用来作为硬件复位

I 3.3V Suspend CMOS

驱动>=10mA

CB_RESET#

B50

复位输出信号，由模块到载板，这个信号可以由模块驱动为低，用来复位载板上的元件

O 3.3V Suspend CMOS

 

PWR_OK

B24

由ATX电源产生，通知模块DC操作电压已经达到规定的值。

I 3.3V CMOS

 

SUS_STAT#

B18

休眠状态信号，表示系统很快就会进入一个低功耗模式，它能被载板上其它外设用作指示应该进入节电模式

O 3.3V Suspend CMOS

 

SUS_S3#

A15

S3休眠控制信号，表示系统停留在S3状态（RAM待机）

O 3.3V Suspend CMOS

这个信号能用作控制ATX电源的PS_ON#信号

SUS_S4#

A18

S4休眠控制信号，表示系统停留在S4状态（磁盘待机）

O 3.3V Suspend CMOS

 

SUS_S5#

A24

S5休眠控制信号，表示系统停留在S5状态（Soft Off）

O 3.3V Suspend CMOS

 

WAKE0#

B66

PCIe唤醒事件信号

I 3.3V Suspend CMOS

 

WAKE1#

B67

通用目的唤醒信号

I 3.3V Suspend CMOS

 

BATLOW#

A27

电池低输入，这个信号可以由外部电路来驱动为低，表示系统电池低，它也可以用作表示某些其它外部电源管理事件

I 3.3V Suspend CMOS

 

 

2.18.5 看门狗

图48 看门狗定时器事件锁存原理图

看门狗事件信号由COM Express模块提供，WDT输出是高有效，它源自COM Express模块的B27脚。

WDT事件可以通过载板上的适当连接来产生系统的复位。也可能配置模块复位WDT事件，详见厂家的模块用户手册。

如果WDT输出引起系统复位，WDT输出会被系统复位清楚。

WDFT能被锁存以驱动LED显示，如上图，注意锁存器由一个在所有电源状态下（包括软件关机状态）都有效的电源来供电，锁存器仅由上电复位来清除，冷开机由RSMRST#来产生，载板复位监视器（没有显示在这个图上）需要产生RSMRST#信号，复位监视器电路监视5V或3.3V Suspend电源（V5.0_S5或V3.3V_S5）。

2.18.6 通用目的的GPIO

表36 GPIO信号定义

信号

脚

描述

I/O

GPI0

A54

通用目的输入脚，在COM Express模块内部上拉

I 3.3V COMS

GPI1

A63

通用目的输入脚，在COM Express模块内部上拉

I 3.3V COMS

GPI2

A67

通用目的输入脚，在COM Express模块内部上拉

I 3.3V COMS

GPI3

A85

通用目的输入脚，在COM Express模块内部上拉

I 3.3V COMS

GPI0

A93

通用目的输出脚，复位后应该为低电平输出

O 3.3V COMS

GPO1

B54

通用目的输出脚，复位后应该为低电平输出

O 3.3V COMS

GPO2

B57

通用目的输出脚，复位后应该为低电平输出

O 3.3V COMS

GPO3

B63

通用目的输出脚，复位后应该为低电平输出

O 3.3V COMS

图49 通用目的I/O回环原理图

2.18.7 温度检测报警接口

COM Express提供“THRM#”和“THRMTRIP#”信号，用于系统温度管理，当前大部分系统平台，温度管理与系统电源密切相关，更详细的信息见COM模块的温度管理能力，参考厂家的模块用户手册。

表37 温度管理信号描述

信号

脚

描述

I/O

THRM#

B35

超温报警，低有效，由外部硬件产生，这个信号用来激发温度保护。

I 3.3V CMOS

THRMTRIP#

A35

指示处理器超温了，如果这个信号有效，系统应该立刻进入S5状态（软件关闭）。

O 3.3V CMOS