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