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电脑晶片组周边应用介面LPC, eSPI及其桥接器之介绍
 

【作者: 薛志浩】2021年04月23日 星期五

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个人电脑问世以来,系统架构主要是由中央处理器(Central Processing Unit, CPU)和晶片组(Chipset)构成核心,再从晶片组扩展出许多的界面来完成和扩充整个电脑的各项功能,例如大家所熟悉的动态随机存取记忆体(Dynamic Random Access Memory, DRAM)界面、周边元件内联(Peripheral Component Interconnect, PCI)汇流排界面、加速绘图埠(Accelerated Graphics Port, AGP)汇流排界面、快捷周边元件内联(PCI Express, PCIe)汇流排界面等等。早期电脑特别为慢速周边设备开发了工业标准结构(Industry Standard Architecture, ISA)汇流排界面,从而扩展出一些「传统」(Legacy)装置的连接埠,例如并列埠(Parallel Port)、串列埠(Serial Port)和Personal System/2 (PS/2)埠等等。


自笔记本型电脑开始风行,对於机器轻薄的要求日益重要,功耗的要求也日趋严格。因为ISA汇流排的讯号总线数目过大,造成主机板走线不易;加上CPU和晶片组日新月异,整个系统的核心运行速度大幅提升,ISA汇流排遂成为运行速度提升的瓶颈,而且工作电压是5伏特,因此电脑巨擘英特尔(IntelR)於西元1988年开始开发并推广Low Pin Count (LPC) 汇流排界面。LPC与ISA在软体层面是类似的,但是在物理层方面有着巨大的不同;ISA是8或16位元的资料宽度,时脉频率是8.33 MHz,而LPC是4位元的资料宽度有着四倍於ISA的时脉频率33 MHz,工作电压为3.3伏特。在ISA汇流排界面,位址讯号和资料讯号是独立的讯号线组,而LPC汇流排界面则是位址讯号和资料讯号共用讯号线组;另外,周边装置个别的中断要求(Interrupt Request, IRQ)讯号也以一个SERIRQ讯号来取代,并增加了一些节省功耗的相关控制讯号,包括CLKRUN#, PME#和LPCPD#等。因此LPC汇流排界面不只运行速度加快,讯号线数也比ISA汇流排界面减少了约30条讯号线,系统功耗也能更适合於使用电池的行动装置。



科技日新月异,LPC汇流排界面在个人电脑系统中的地位也随着半导体制程技术的精进而掀起了改朝换代的呼声。英特尔在西元2016年发表了加强型串列周边界面(Enhanced Serial Peripheral Interface, eSPI),按产品开发路径图,随着晶片组的世代更新,逐渐取代LPC汇流排界面。eSPI界面与LPC非常不同,按字面解读,读者们可以领会它就是SPI的加强版,它的操作电压是1.8伏特,基本的介面讯号和SPI是一样的。eSPI支持最高66MHz时脉频率,藉着转换晶片组和从装置(Slave Devices)间的通信成为带内讯息(In-band Messages)在eSPI上发送。对比LPC界面,移除了为了通信而使用的边带(Sideband)讯号,所以在周边控制集线器 (Peripheral Control Hub, PCH)和装置间的必须讯号数由13个减为7个;此外,它也支持在非常低功耗的系统状态 (ACPI S3~S5 states)下以低功耗运作,在晶片组和从装置间支持所有系统管理汇流排(System Management Bus, SMBus)通信的隧道传输(Tunneling)在eSPI上以带内信息进行。但是8237直接记忆体存取(Direct Memory Access, DMA)和韧体集线器(Firmware Hub, FWH) 在eSPI并不支持。



虽然晶片组制造商有给下游电脑产品制造商由LPC切换到eSPI的过渡时间,晶片组由LPC及eSPI都支援,预设能使界面经过几个世代後由LPC变到eSPI再变成只有支援eSPI,理论上下游电脑产品制造商应该都能渐渐完成转换界面的革新;但是由於有些电脑产品制造商或有LPC周边元件的库存尚未消化完毕,或是因系统模组化设计有大量LPC周边转接板/卡必须重新设计与制作,因此就有许多电脑产品制造商找寻是否有桥接器可以将晶片组eSPI界面转换成LPC界面。如此一来,纵使晶片组转换,只要有这个解决方案,他们所需的花费及工程是最小的。Microchip长期耕耘个人电脑产业,与晶片组制造商有长久密切的合作关系,对於周边界面由LPC转成eSPI早有充分的准备与相对应的各类笔记型电脑嵌入式键盘控制器产品,成为晶片组制造商的叁考设计,并被全世界许多笔记型电脑制造大厂所采用。当然Microchip也充分了解到许多电脑产品制造商对於eSPI转LPC桥接器的需求,而推出的ECE1200在全世界都有非常成功的实例。以下为ECE1200的主要特性:


1. 以低待机电流检测并支持MicrosoftR新式待命(Modem Standby)状态S0ix State


2. 符合进阶组态与电源介面(Advanced Configuration and Power Interface, ACPI) 6.1规格


3. 支持3.3伏特操作电位的LPC超级输出入装置(SIO,例如Microchip的SCH31xx系列和SCH322x系列)和笔记型电脑嵌入式键盘控制器(KBC/EC,例如Microchip的MEC14xx系列和MEC170x系列)


4. 支持1.8伏特操作电位的eSPI主控制器介面,符合eSPI 1.0规格,支持最高达到50MHz的eSPI操作频率,并支持eSPI中的周边通道(Peripheral Channel)和虚拟导线通道(Virtual Wire Channel)的规范


5. 支持工业规格的操作温度从-40。C到+85。C


如果想要更进一步了解ECE1200的产品资讯,欢迎造访 microchip.com/ECE1200


另外顺道一提的是,图(1)及图(2)中除了灰色的单元,都是Microchip可以提供的总体系统解决方案。欢迎造访 microchip.com/products 或直接洽询您的Microchip业务窗囗,以获得您系统需求的最隹解决方案。


本文作者为:Microchip主任应用工程师 薛志浩


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