嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的基于技术中的基于Verilog的的SMBus总线控制器的总线控制器的
设计与实现设计与实现
摘要：SMBus是一种高效的同步串行总线。通过分析SMBus总线协议，提出了一种运行于基于PCI-Express技
术的桥接芯片上的SMBus控制器的设计方案，并且用Verilog语言描述，最后在Altera公司的FPGA上得以实现。
通过仿真测试，证明该方法是稳定有效的。 关键词：SMBus 多μC通讯系统 Verilog SMBus是Intel公司于1995
年发布的一种双向两线串行通讯总线标准，具有接口线少、通讯效率高等特点。应用于多μC（microcontroller）
通讯系统中，可以满足绝大多数情况下对传输速率、信号稳定性等性能的要求，且相对于并行总线节省了大量
的硬件资源。因此多μC
摘要：摘要：SMBus是一种高效的同步串行总线。通过分析SMBus总线协议，提出了一种运行于基于PCI-Express技术的桥接芯片
上的SMBus控制器的设计方案，并且用Verilog语言描述，最后在Altera公司的FPGA上得以实现。通过仿真测试，证明该方法
是稳定有效的。
关键词：关键词：SMBus 多μC通讯系统 Verilog
SMBus是Intel公司于1995年发布的一种双向两线串行通讯总线标准，具有接口线少、通讯效率高等特点。应用于多
μC（microcontroller）通讯系统中，可以满足绝大多数情况下对传输速率、信号稳定性等性能的要求，且相对于并行总线节省
了大量的硬件资源。因此多μC通讯系统采用SMBus总线来实现是一种很好的解决方案。
本文提出一种基于Verilog的SMBus总线控制器的设计方法。该方法将总线控制器用有限状态机来实现，并将其应用于基
于PCI-Express技术的桥接芯片中。通过仿真测试，证明该方法是稳定有效的。
1 SMBus规范分析规范分析
SMBus由两根总线即串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）构成。主要应用于主从系统。主器件控制总线操作，包
括开始/结束传输、发送信息并产生SMBus总线系统时钟等。在整个传输过程中，所有的传送都通过主控的SCL来同步。为使
总线有“线与”功能，所有器件的SMBus接口都必须是漏极开路或集电极开路的，并且通过上拉电阻使总线在空闲状态下为高电
平状态。这种结构能使不同速度的器件同步运行。图1是典型的SMBus总线结构图。
1．2 SMBus通讯时序
总线上的所有器件都有一个唯一的地址，且都可以工作在传送或接收方式。因此，有四种工作模式，即主发送、主接收、
从发送和从接收。SMBus总线还具有总线仲裁功能，保证在同一时间只有一个主器件在控制总线。
图2是读/写一个字节的时序格式。图中白色块是主器件控制SDA线，灰度块是从器件控制SDA线，SCL线一直都由主器件
控制。由图可见，传输由一个开始条件开始，并由一个结束条件中止。SDA上的数据在SCL高电平时必须保持稳定，不允许有
电平跳变；SDA电平只有在SCL低电平时才可以改变。开始条件和结束条件是特殊的，可以在SCL高电平时改变SDA的电平，
在SCL高是电平时，开始条件是把SDA从高电平拉到低电平，而结束条件则把SDA从低电平拉到高电平。开始条件和结束条
件的这种定义方法可以避免电平与传输的数据相混淆。
SMBus协议定义了十二种传输命令格式，其中以读/写一个字节命令格式最为重要。本文所设计的控制器主要用这两种命
令格式，所以本文主要分析这两种格式，其它的与之类似，可以很容易地加以扩展，在此略过。
下面分析图2的时序：
（1）总线空闲时，SCL和SDA保证为高电平，等待开始条件。
（2）主控产生开始条件，表明要发起传输。
（3）主控传送一个7位地址和一个写位，指定目标器件和写方式。
（4）目标器件应答。
（5）主控传送一个8位Command Code，指定本次操作类型。
（6）目标器件应答。
（7）如果是write byte，主控直接传送1byte数据；如果是read byte，则要产生restart条件，后跟目标地址和一个读位，
然后开始接收目标数据。
（8）由接收方应答。
（9）主控发出结束条件，结束整个传输。
图图2
在SMBus上传输的每一个数据包括8个数据位和一个确认位，所以需要9个SCL时钟。主控确认位时释放总线，由从器件来驱
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