LPC总线介绍

在NB电路的架构框图中，我们可以看到PCH和EC之间通过LPC总线连接，在MB板上也会看到EC芯片旁边有一个JDEBUG的connector，其也与LPC总线相连，用于主板诊断。下面将对LPC总线做一些简单介绍，希望能够帮助大家了解LPC的工作原理：1、LPC总线LPC（LowPinCount）是基于Intel标准的33MHz4bit并行总线协议（但目前NB系统中LPC的时钟频率为24MHz，可能是由于CPU平台的不断发展导致的，后面会具体分析），用于代替以前的ISA总线协议，但两者性能相似，都用于连接南桥和SuperI/O芯片、FLASHBIOS、EC等设备（由于目前EC芯片中整合了SuperI/O功能，所以我们在NB系统中看不到LPC总线上挂有SuperI/O芯片了）。传统ISABUS速率大约在7.159~8.33MHz，提供的理论尖峰传输值为16MB/s，但是ISABUS与传统的PCIBUS的电气特性、信号定义方式迥异，使得南桥芯片、SuperI/O芯片浪费很多针脚来做处理，主板的线路设计也显得复杂。为此，Intel定义了LPC接口，将以往ISABUS的地址/数据分离译码，改成类似PCI的地址/数据信号线共享的译码方式，信号线数量大幅降低，工作速率由PCI总线速率同步驱动（时钟同为33MHz），虽然改良过的LPC接口一样维持最大传输值16MB/s，但信号管脚却大幅减少了25~30个，以LPC接口设计的SuperI/O芯片、Flash芯片都能享有脚位数减少、体积微缩的好处，主板的设计也可以简化，这也是取名LPC——LowPinCount的原因。2、LPC总线的接口管脚LPC总线由7个必选信号和6个可选信号组成，具体如下表所示：表3-2LPC总线可选信号列表信号外设Host设备信号描述LDRQ#OI外设进行DMAorbusmastering操作的总线请求信号，一对一，外设之间不能共享同一个LDRQ#SERIRQI/OI/O中断请求信号CLKRUN#ODI/OD外设进行DMAorbusmastering操作才会需要该信号，用于停止PICbus，同PCICLKRUN信号LPME#ODI/OD电源管理唤醒，与PCIPME相似LPCPD#IOPowerDownLSMI#ODISMI信号系统管理中断MB板上的JDEBUGconnector有12pin,没有连接LRESET#信号，只连接了其余的6个必选信号，为主板诊断提供接口，其中CLK_DEBUG由PCH提供，24MHZ：EC与PCH连接的LPC总线中除了包含7个必选信号，还包含SEEIRQ和CLKRUN#信号。这里需要注意的是JDEBUG的CLK信号与连接EC和PCH的LPC总线中CLK信号并非同一个信号。PCH提供了2个输出24MHz时钟的管脚，但每个时钟只能驱动一个LPC设备，故EC和JDEBUG各连接一个。3.LPC总线的通信协议LPC总线支持多种事务类型的操作,例如IO读写、内存读写、DMA读写、Firmwarememory读写等。一个cycle通常一下流程：总线host拉低LFRAME#信号，指示cycle开始，同时将相关信息输出到LAD[3:0]上主机Host根据Cycle类型驱动相应的信息到LAD[3：0]上，比如当前操作的事务类型、数据传输方向及size大小、访问地址等。host根据Cycle类型的不同选择进行驱动数据或者是移交总线控制权。外设获取总线控制权后，将相应的数据驱动到LAD[3：0]上。表示该Cycle完成。外设释放总线控制权。至此该Cycle结束。一个典型cycle通常由Start、Cyctype+Dir、ADDR、Size(DMAonly)、Channel(DMAonly)、TAR、Sync、DATA状态组成，下图是一个典型的cycle示例流程，该cycle类似于IO读或内存读操作中的cycle，DATA字段由外设驱动发送给host.图4.1cycle示意流程图3.1StartStart用于指示一个传输的开始或者结束。当FRAME#信号有效时，所有的外设都要监视LAD[3：0]信号，并在FRAME#信号有效的最后一个时钟进入START状态。LAD[3：0]的值编码如下表表4.1Start状态LAD[3:0]定义3.2CycleType／Direction(CYCTYPE+DIR)该状态由Host驱动，对Cycle的传输类型(Memory、IO、DMA)以及传输方向进行说明。LAD[0]在该场中被保留，作为外设应该忽略。具体定义值见下表表4.2Cyctype+DIR状态LAD[3:0]定义3.3Size该状态表示传输数据DATA字段的大小，由host驱动，当数数据为16或32bits，将分成多个DATA转态发送，Size只存在于DMA类型cycle中。而在IO和内存类型cycle中，每个cycle只能传输8bits数据。Size状态LAD[1:0]有效，LAD[3:2]被忽略，LAD[3:0]具体定义如下表4.3Size状态LAD[3:0]定义Bits[1:0]定义00传输的数据大小为8bits01传输的数据大小为16bits10保留11传输的数据大小为32bits3.4ADDR/ChannelADDR状态表示地址信息，由host驱动。在IOcycle中，地址信息为16bits（4个时钟周期）；在内存cycle中，地址信息为32bits（8个时钟）；而在DMAcycle中，则没有ADDR状态，取代的则是Channel状态(1个时钟)。LAD[2:0]表示channel的序号，其中channel0~3为8bitchannels,channel5~7为16bitchannels,channel4一般被保留作为busmaster的请求信号。ADDR的地址信息先从高位发送。3.5TAR（Turn-around）TAR用于交换总线的控制权（2个时钟），当host要将总线转交给外设时，TAR由host驱动；当外设要将总线交还给host时，TAR由外设驱动。TAR两个时钟周期的第一个时钟周期有host或外设驱动，LAD[3:0]=1111;第二时钟周期host或外设则将LAD[3:0]置为三态，但由于LAD[3:0]管脚内部有弱上拉，LAD[3:0]还都是处于高逻辑电平，所以TAR的两个时钟LAD[3:0]都为1111.3.6SyncSync用来加入等待状态，持续时间为1~N个时钟周期。在target或者DMA传输操作时，Sync由外设驱动；在busmaster操作时，Sync由Host驱动。可能的组合见表表4.4Sync状态LAD[3:0]定义当外设还没准备好时，可以插入一些等待周期0101（短等待）或0110（长等待），等到Ready状态来到时，可以选择驱动为“0000(准备好)，“1010”(错误)或者“1001(ReadyMore)。4.6.1SyncTimeout总线上通常可能发生以下几种潜在的错误：1．当Host发起一个Cycle(Memory、IO、DMA)后，但是，总线上没有设备驱动SYNC场，当Host检测到3个连续的时钟内都没有响应时，便可以认为总线上没有外设响应此次Cycle操作。2．Host驱动一个Cycle(Memory,IO，DMA)，一个设备驱动了一个有效的SYNC场来插入等待(LAD[3：0]=’0101b’或者’0110b’)，但是却不能完成该Cycle，这种情况在外设锁定的时候就发生了。此时，Host应采取以下措施以解除总线死锁：●假如SYNC是’0101b’，那么SYNC时钟周期最多为8个。当Host检测到有多于8个时钟周期的SYNC场，那么Host将取消这个Cycle。●假如SYNC是’0110b’，那么这里将没有最大SYNC长度的限制。外设必须设计有保护机制来完成这个Cycle。当由Host来驱动SYNC时，因为延迟的原因，它可能不得不插入大量的等待周期，但外设不应该认为有timeout发生。下图为SYNC的周期过长引起timeout,此时LFRAME#会拉低4个LCLK周期，进入start状态，来终止这个Cycle.图4.2LFRAME终止cycle4.7DATADATA状态占用两个时钟周期，用于传送一个字节数据。当数据流向外设时，该场由Host驱动；反之，当数据流向Host时，则该场由外设驱动。在传输过程的时候，低4位最先被驱动到总线上,在第一个时钟，Data[3:0]被驱动，第二个时钟，Data[7:4]被驱动。4.8各事务类型操作举例图4.3memoryread/write图4.4I/Oread/write图4.5DMAread/write(16bits)4、LPC总线的测量（逻辑分析仪）用逻辑分析仪TLA5202测得LPC总线中LCLK、LFRAME#、LAD[3:0]信号，下面为测量的几组数据波形：下面是测的是两个cycle的总体波形图，由于我在测试时外接的测试线过长，在cycle结束后的末期引入了串扰，图中的黄色框图中便为串扰信号波形，理想状态应该是LAD[3：0]统一保持高逻辑，后面再统一变为低逻辑。这里我们可以看到时钟信号LCLK并不是一直输出的，只有当cycle开始时，PCH才会输出LCLK信号，cycle结束后，若一段时间内不再有cycle传输，LCLK便不再输出。图5.1Cycle总体波形图下图测试的是一组I/Oreadcycle，host要读取IO地址为0064H的数据，外设接管总线后，经过11个时钟周期的长等待SYNC状态（0110）后，变为ready状态（sync为0000），然后外设将数据1CH发送给host,驱动TAR状态（FF），将总线控制权交还给host,这个cycle结束。图5.2I/Oreadcycle下图测试的是一组I/Owritecycle，host向IO地址025AH写入数据93H，外设接管总线后，经过8个时钟周期的长等待SYNC状态（0110）后，变为ready状态（sync为0000），表明外设接收到数据，之后外设驱动TAR状态（FF），将总线控制权交还给host,这个cycle结束。图5.3I/Owritecycle下图测试的是timeout情况，host向IO地址0080H写入数据01H，然后host驱动TAR状态来移交纵向，但无外设驱动sync状态来接管总线，LAD一直处于弱上拉的高状态，经过5个时钟周期的无响应后，host拉低LFRAME#，保持4个LCLK，进入start状态，LAD[3:0]=1111，则host将该cycle终结。图5.4timeout