SMBus驱动调试
背景：
光缆维护平台产品中有电池，该电池声称符合SMBus规范。SMBus与I2C存在许多共同之处，使用SCL、SDA两线控制。光缆维护平台硬件主体环境为Xilinx FPGA + ARM，电池的通信控制在嵌入式Linux系统中实现。Linux下自带I2C驱动，SMBus可使用I2C驱动完成控制。
目前准备在列车网络测试产品中也添加电池，直接使用光缆维护平台的电池。列车网络测试产品硬件主体配置为Altera FPGA，在FPGA内部实现一个Nios II软核，设备端的程序运行在软核上的uC/OS-II中。
由于两个不同的产品硬件配置不一致、处理器不一致、操作系统不一致，所以很多细节需要加以研究和考虑。
归纳而言，本文档的调试环境：
符合SMBus规范的电池、FPGA + Nios II + uC/OS-II。
FPGA引脚输出为2.5V，见Quartus - pinplanner
电池中的控制芯片所识别的高电平至少为2V，如下图：
但是FPGA引脚的驱动能力不足，实际使用中达不到2.5V，甚至会低于2V。所以需要把FPGA引脚上拉，测试中使用4.7k欧的电阻上拉至3.3V可解决这问题。
SMBus基本时序与I2C基本一致：
SMBus协议包含3种操作，包括：
Read word
Write word
Block read
本文以Read word通信协议为例描述，需要注意不带阴影的部分是控制设备发送的，带阴影的部分是电池芯片发送的。
拿示波器调试，图中黄色的波形表示SCL信号，绿色波形表示SDA信号。可以看到，图中的波形包含了起始位、电池地址0001011、写类型0以及ack信号。
值得注意的是，由主控设备驱动的稳态低电平和高电平分别约为0V和3.3V，但是由电池驱动的SDA信号的低电平并不是0V，图中可以很清晰的观察到这点。
另外，SCL信号是由控制端提供的，但是设备的某些状态也会影响到SCL信号，导致SCL信号的幅值发生变化。
在电池调试过程中，通信协议Read Word最初调试不通。找同事分析并解决了部分硬件类的问题后，还是调不通。
我不懂什么上拉、下拉、开漏、电池端和控制端接口的设计形式、LVCMOS、TTL、驱动能力这类偏硬件的概念，仅仅凭借着SCL和SDA信号的高低——特别是靠着下图中ack处的这种由电池控制（或影响）的信号高低，分析出电池内部的状态以及其可能与SMBus规范不太一致的地方，最终完成电池驱动的调试工作。
为了方便描述，后文中把信号幅值正常高低电平分别称为“满高态”、“满低态”，图中ACK阶段这种逻辑低（但是比正常低电平要高一些）称为“半低态”，与之对应的那种逻辑高电平称为“半高态”。
下面的波形图显示了BA1后半部分（16h）、ACK1、Command Code（09h）、ACK2。信号的这个波形特征并没有导致链路层的数据异常，但是其存在潜在的问题。图中t1、t2、t3、t4表示时间点，下面我将详细分析这4个时间点，所有的异常分析及驱动调试都以此为基础。
t1：BA1发送完成，SCL被控制端拉低，并把SDA拉高；
注意到SDA信号变为半高态，对于这个变化，唯一的解释是——电池端检测到SCL下降后，判断BA1已经传输完成，进入ACK阶段（尽管此时控制端还没有发送判断ACK的SCL高电平）。电池端进入ACK阶段后拉低SDA信号，由于此时SDA信号还是处于out状态，由控制端驱动，所以仍然保持一个较高的电平；同时由于电池端SDA拉低的影响，幅值比正常的高电平要低一些。
t2：控制端将SDA置为in；
此时，SDA信号由电池端驱动，同时也受控制端的影响，所以处于半低态
t3：控制端将SCL拉高，延时一段时间后判断ACK信号；
在驱动程序中，拉高SCL后，延时一段时间后获取SDA状态，判断其逻辑高低作为ACK的状态。
t4：控制端将SCL拉低，结束ACK阶段；
此时控制端并没有操作SDA信号，但是可观察到其幅值直接由逻辑低上升为高电平。
唯一合理的解释是——电池端检测到SCL拉低后，认为ACK阶段已完成，拉高了SDA信号。此时控制端和电池端都处于拉高SDA的状态，所以SDA信号回到满高态。
有时会存在其它情况，如下图：
时间点t1，SDA为满低，并不能确认电池端SDA是处于拉高还是拉低；
时间点t2，控制端设置SDA为in时，发现SDA直接被拉高，说明此时电池端还没有进入ACK状态；
时间点t3，控制端拉高SCL，进入ACK获取状态——但是SCL不能拉到满高态，此时电池端也没有进入ACK状态。
时间点t3’，控制端无任何操作；电池端就绪，进入ACK状态，拉低SDA；同时SCL也恢复到正常的满高态；
时间点t4，控制端拉高SCL，结束ACK阶段；电池端也拉高SDA，结束ACK阶段。
控制端的驱动程序一般在SCL高电平的中心区域读取SDA，所以这个波形特征并不会造成SDA读取错误。
但是，有时候情况就更加恶劣。在下图中，t3’更加接近于t4，换言之，在控制端几乎要结束ACK阶段时，电池端才刚刚准备好ACK信号。这个波形特征会导致读取错误的SDA数据。控制端驱动程序获得SDA数据后，发现SDA处于高的状态，意味着电池没有正常响应之前的指令，导致通信异常。
造成这个异常的根本原因是电池端还没有准备好ACK信号时，控制端要求开始读取ACK了。能够解决这个问题的修改方式有很多，我所使用的方法是——在发送数据完成后，延时一段时间，等待设备把ACK准备好。下面来2张图为增加延时后的波形，第一张图是电池端隔了一段时间才准备好ACK的情况，第二张图是电池端立即进入ACK状态的情况。
为了方便调试，在控制端驱动程序中最好每个位操作都实现完整，包括“清理当前操作”的步骤。
以写操作为例，按照顺序，依次实现：
（s1）SDA到期望状态；
延时；
（s2）SCL拉高；
延时；
（s3）SCL拉低；
延时；
（s4）SDA拉低；
上图中，时间点s3之后SDA处于半高态，是由于电池端检测到SCL拉低，立即就绪并拉低SDA的原因。
时间点s4，控制端拉低SDA，电池端也拉低SDA，所以SDA处于满低态；
时间点s5，控制端设置SDA为in，内部实际上是拉高SDA的；主要由电池端驱动SDA，所以SDA处于半低态；
另外，在上图中，控制端拉低ACK阶段的SCL信号后，电池端也没有立即恢复SDA信号（拉高），所以控制端结束ACK阶段后，也应该延时一段时间，等待电池端准备就绪。不然会出现下图中的情况，可能会导致的数据错误和通信异常。
总结：
根据波形中信号的4种幅值状态，尤其是2种“半X态”，来推断在各个时间点控制端和电池端分别处于何种状态。只有调整控制端的驱动程序，使得两端的工作状态匹配时，通信才能保持正常。
