BMC 硬體入門總覽

BMC 是一顆獨立於主機 CPU 之外、常駐供電的管理晶片。它要回答的問題永遠是那幾個：這塊板子上有什麼？現在多熱？電壓正不正常？風扇要轉多快？韌體是哪一版？

要回答這些問題，BMC 靠的不是高速匯流排，而是一堆低速介面與 GPIO。這頁把從「電阻電容」到「PLDM」的整條路徑串成一張地圖——每一節都只講到夠用的深度，需要細節的地方直接連到對應的深入筆記。

一、電子電路基礎

這一節不打算取代電路學課本，只挑做 BMC 韌體真的會用到的部分——每個概念後面都接一件你在板子上會遇到的事。

歐姆定律與功率

$V = I \times R \qquad P = V \times I$

這兩條式子在 BMC 開發裡最常見的用途是驗證換算對不對。從 PMBus 讀出一組電壓與電流之後，用 $P = IV$ 對一下裝置回報的功率值：三個數字對不起來，通常就是 Linear11／Direct 格式的係數套錯了。詳見 PMBus。

被動元件 vs 主動元件

比較項目	主動元件（Active）	被動元件（Passive）
是否提供能量	需要外部電源，可放大或產生能量	不提供能量，只吸收或儲存能量
能量轉換	可把電能轉成其他形式（放大、開關控制）	只能消耗或暫存能量
控制能力	能主動控制電流	無法主動控制，響應取決於輸入
線性	多為非線性	多為線性
例子	電晶體（BJT、MOSFET）、二極體、IC、運算放大器	電阻 R、電容 C、電感 L

對 BMC 韌體工程師來說，這張表的實際意義是：看電路圖時，被動元件決定「數值怎麼換算」，主動元件決定「訊號什麼時候會動」。

具體來說：

• 電阻——最常出現在兩個地方：I2C 的上拉電阻（沒有它匯流排根本不會動），以及 ADC 前的分壓電阻（決定你讀到的數字要乘多少）。
• 電容——去耦電容（decoupling）擺在每顆 IC 的電源腳旁，吸收瞬間電流。它跟韌體無關，但訊號品質不好導致 I2C 偶發 NAK 時，硬體同事第一個會問的就是這個。
• RC 電路——構成時間常數 $\tau = RC$，是各種 reset 延遲與去彈跳（debounce）的來源。GPIO 讀 button 讀到抖動時，問題常在這裡。
• 二極體——防逆流與箝位保護，常見於熱插拔路徑上。
• MOSFET——當作開關使用，是 power sequencing 的執行單元：CPLD 或 BMC 拉一支 GPIO，MOSFET 把某一路電源打開。開機順序出錯的除錯，最後都會走到這裡（見 CPLD）。
• 運算放大器 / 比較器——把微弱的類比訊號放大到 ADC 讀得到的範圍，或直接做過壓／過流的硬體門檻偵測（超過就直接拉一支 alert 腳，不等軟體反應）。

open-drain 與上拉電阻

這是 I2C 之所以能運作的關鍵，值得單獨拿出來講。

I2C 的裝置只能把訊號線拉低，不能拉高。放開的時候靠外接的上拉電阻把線拉回高電位。

這個設計帶來三個實際後果：

1. 多個裝置可以共用同一條線而不會打架——沒有人會主動輸出高電位，所以不會出現「一邊拉高、一邊拉低」的短路。
2. 少了上拉電阻，匯流排就是死的——i2cdetect 全部掃出 --。新板子第一次上電掃不到任何裝置時，先確認上拉電阻有沒有焊。
3. 上拉電阻的值決定速度上限——電阻太大，訊號從低回到高的時間拉長，波形變成圓角，高速時就會誤判。掛的裝置越多、走線越長，越需要小一點的電阻。

分壓電路與 ADC

BMC 的 ADC 輸入通常只能吃 0～2V 左右，但板上要監控的電源動輒 12V。所以電路圖上會看到 rail 先經過兩顆電阻分壓再進 ADC：

$V_{ADC} = V_{rail} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$

韌體要做的事就是把這個比例乘回去：

$V_{real} = raw \times scale \times \frac{R_1 + R_2}{R_2}$

這個分壓比會寫在 device tree 或 entity-manager 的設定裡。電壓讀值差了一個固定倍數，八成就是分壓比填錯，不是感測器壞掉。

二、通訊協定

I2C

I2C（Inter-Integrated Circuit，Philips 提出，現屬 NXP）是兩線式、同步、支援多主多從的低速序列匯流排，也是 BMC 最主要的對外介面。

線	SCL（時脈）＋ SDA（雙向資料）
定址	7-bit slave address
特性	同步、multi-controller / multi-target、open-drain
典型用途	溫度感測器、EEPROM、GPIO expander、mux、PSU
優點	接線少、協定簡單、通用性高
缺點	沒有內建錯誤檢測（無 CRC）、時序約束寬鬆、速度低

一次交易的結構：

三個要點：

• ACK 是掃描的原理——每個 byte 之後接收端要拉低 SDA 一個時脈。發出位址後沒收到 ACK，就代表那個位址上沒東西。i2cdetect 就是靠這件事逐一試出來的。
• repeated START——讀暫存器時「先寫 pointer、不放開匯流排、直接再發一次 START 轉成讀」，避免中途被其他 master 插隊。
• clock stretching——slave 來不及時可以壓住 SCL 讓 master 等。有些控制器對這行為支援不完整，是很難查的相容性問題來源。

常用指令：

i2cdetect -l                  # 列出系統上所有 i2c bus
ls /sys/class/i2c-dev/        # 同上，從 sysfs 看
i2cdetect -y <bus>            # 掃描某條 bus 上有哪些裝置

i2cget -y <bus> 0x50 0x10     # 讀一個 byte
i2cset -y <bus> 0x50 0x10 0x20  # 寫一個 byte

# 複雜交易：寫入 2 byte 位址後 repeated START 讀 128 byte
i2ctransfer -y <bus> w2@0x50 0x10 0x20 r128

掃描結果的三種狀態：

顯示	意義
--	該位址沒有裝置回應
數字（如 60）	有裝置，且沒有 kernel driver 佔用，可以用 i2cget 直接戳
UU	有裝置，且已被 driver 綁定——這其實是好消息，代表 driver 正常載入了

新手最常見的誤會是看到 UU 以為失敗。反過來才對：sensor porting 做完之後，你希望看到 UU。

注意

i2cset / i2ctransfer 的寫入是有破壞性的。打錯暫存器可能改掉 PSU 的過壓保護門檻或直接關掉輸出。正式機上動手前先確認自己在寫什麼。

深入內容：協定細節與 sysfs 動態綁定見 Hardware（硬體存取），從電路圖推出 bus 編號與位址見 Schematic 判讀。

SMBus

SMBus（System Management Bus，Intel 定義）是蓋在 I2C 之上的一層規範，把「可以怎麼傳」收斂成「應該怎麼傳」。

項目	I2C	SMBus
時脈	無下限，上限依模式	10 kHz ~ 100 kHz
逾時	無	有（SCL 被壓過久視為逾時，裝置需自行復位）
交易型態	自由	固定型態（Read Byte / Write Word / Block…）
錯誤檢查	無	可選的 PEC（CRC-8）
裝置發現	無	有標準化機制

實務上的一句話總結：SMBus 裝置可以掛在 I2C 控制器上，反之不一定。Linux 用 i2c_smbus_*() 系列 API 表達 SMBus 交易，控制器不支援時會用純 I2C 模擬。

PMBus

PMBus 再蓋在 SMBus 之上，專門給電源裝置使用，定義了一整套標準 command code（讀電壓、讀電流、設保護門檻、開關輸出）與資料格式。PSU、VRM、hot-swap controller、eFuse 都走它。

三者對照：

	I2C	SMBus	PMBus
定義者	Philips（現 NXP）	Intel	PMBus 組織
相對前一層的改進	—	資料格式、時序約束、CRC 檢查、裝置發現、標準化命令	標準化的電源管理指令集、跨廠商互通、精細控制
典型用途	感測器、EEPROM	系統關鍵元件通訊（溫度、電壓監控）	PSU、VRM、數位電源模組
優點	通用性高、協定簡單	穩定、內建錯誤檢測	減少廠商相容性問題、電源參數可監控可配置
缺點	無錯誤檢測、時序約束鬆	不如 I2C 靈活、速度上限低	只給電源裝置用，不通用

深入內容：Linear11／Linear16／Direct 三種格式的公式與 driver 移植流程見 PMBus 與 Porting PMBus Driver。

SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是四線式、同步、全雙工的短距離匯流排，速度遠高於 I2C。

沒有位址概念——靠 CS（Chip Select）選擇裝置，掛幾顆就要拉幾條 CS 線。

BMC 上的三個主要用途：

1. 系統啟動——BMC 上電後由 boot ROM 從 SPI flash 讀 u-boot；主機 CPU 也是從 SPI flash 讀 BIOS。
2. 韌體更新——BMC 在系統運行時透過 SPI 更新主機的 BIOS。
3. 遠端修復——主機韌體損毀時，BMC 從旁路重新寫入。

為了提高吞吐量，SPI flash 演化出多線模式，差別在資料階段同時用幾條線：Single（1 線）／Dual（2 線）／Quad（4 線，借用 WP# 與 HOLD# 腳）／Octal（8 線）。細節與 device tree 寫法見 Hardware（硬體存取）。

UART

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是序列通訊的硬體控制器，負責把 CPU 那側的平行資料轉成一條線上的位元流。

「非同步」是關鍵字：沒有共用時脈線，兩端靠事先約好的 baud rate 各自計時，所以速率設錯就是滿螢幕亂碼。

UART Controller 與 COM Port 的分工

這兩個詞常被混用，但講的是不同層次的東西：

	UART Controller	COM Port
本質	硬體模組（在 SoC、南橋、MCU 裡）	作業系統抽象出來的裝置節點
功能	位元／字元轉換、傳輸控制邏輯、FIFO	提供 user space 讀寫介面
名稱	內建 IP 或外接晶片	Windows：COM1；Linux：/dev/ttyS0
與使用者的關係	背後的黑盒	使用者直接讀寫的對象

Controller 實際負責的事：

• 位元編碼與解碼——例如 8N1：8 個資料位、無 parity、1 個停止位。
• 波特率——如 115200 bps。BMC console 幾乎都是 115200n8。
• 中斷控制——收滿或送完觸發 IRQ 通知 CPU。
• FIFO buffer——硬體緩衝，避免 CPU 來不及取而漏字元。傳統 16550 UART 的招牌功能就是這個 16-byte FIFO。

一個 frame 的組成：

裝置節點對照

Windows：

名稱	對應意義
COM1	第一個 UART 控制器（傳統上對應 I/O port 0x3F8）
COM2	第二個 UART 控制器（0x2F8）

Linux：

節點	說明
/dev/ttyS0	第一個傳統 UART 控制器
/dev/ttyUSB0	透過 USB-to-Serial 轉接器產生的虛擬 UART
/dev/ttyAMA0	部分 ARM SoC（如 PL011 控制器）上的 UART

常見的 UART 存在位置：MCU 內部（如 STM32 的 USART）、SoC 內建（PL011、miniUART）、PC 南橋或 LPC-to-UART、以及擴充卡上的 16550 晶片。

UART routing

BMC SoC 上通常有一整排 UART，哪一條接到哪裡是板子設計決定的，kernel 不會自己知道。所以要在 device tree 裡宣告每條 UART 的角色與接腳對應，這件事叫 UART routing。

對 OpenBMC 來說，需要回答三個問題：

1. 哪一條 UART 是主機的 serial console？（會被拿去做 SOL）
2. 哪一條接外部裝置？（MCU、CPLD、sensor）
3. 哪些是沒用到、要 disable 的？

BMC SoC 通常還提供 Virtual UART：讓主機和 BMC 同時看到同一個 console，這是 SOL 能運作的基礎。相關內容見 SOL 與 Serial over LAN（完整版）。

三、板上元件

EEPROM 與 FRU

EEPROM 是板上的小容量非揮發記憶體，透過 I2C 存取，位址習慣落在 0x50–0x57。容量從幾 Kb 到幾百 Kb 都有（例如常見的 64 Kb 型號）。

FRU（Field Replaceable Unit）則是存在這些 EEPROM 裡的資料格式——依 IPMI 的 FRU Information Storage Definition 規範，記錄這塊板子或模組的製造商、型號、序號、製造日期，用於資產追蹤與維修。

兩者的關係很單純：EEPROM 是容器，FRU 是內容。

讀 EEPROM datasheet 時要特別確認的三件事：

1. 位址寬度是 1 byte 還是 2 byte——容量超過 2 Kb 的通常是 2 byte，這決定你的 i2ctransfer 要寫 w1@ 還是 w2@。填錯就是讀到完全錯的位置。
2. page size——寫入時跨頁會 wrap around 回到頁首覆蓋掉前面的資料，不是自動接續。
3. WP# 腳——寫入保護，被拉高時寫入會被硬體擋掉且不報錯。

i2cdump -y <bus> 0x50               # 看原始內容，FRU 開頭應該是 0x01（版本）
ipmitool fru print                  # 透過 BMC 解析後的結果
busctl tree xyz.openbmc_project.FruDevice   # OpenBMC 掛在 D-Bus 上的結果

深入內容見 FRU、IPMI、Spec / Datasheet 判讀。

溫度感測器（以 TMP75 為例）

TMP75 系列是最典型的 I2C 溫度感測器，也是練習「讀 datasheet → 寫 driver → 驗證」的最好教材。

重點只有兩個：

暫存器配置——由一個 pointer register 選擇要存取哪一顆暫存器：

Pointer	暫存器	用途
0x00	Temperature	溫度讀值（唯讀）
0x01	Configuration	解析度、shutdown、alert 模式
0x02	T_LOW	低溫門檻
0x03	T_HIGH	高溫門檻

換算——12-bit 模式下每個 LSB 代表 0.0625°C（即 $1/16$）。溫度值靠左對齊在 16 bit 裡，所以要先右移再乘：

$T = (raw \gg 4) \times 0.0625$

一個一定要踩過的坑：word 模式的 byte order

假設室溫下你這樣讀：

i2cget -y <bus> 0x48 0x00 w
0x1027

看到 0x1027 千萬別急著換算成 4135。i2cget 的 word 模式是小端序：先收到的 byte 放低位。感測器實際送出的順序是 0x27 0x10，所以：

• 高位 byte（真正的溫度整數部分）是 0x27
• $0x27 = 2 \times 16 + 7 = 39$
• 結果就是 39°C

低位的 0x10 是小數部分，右移 4 位得 1，$1 \times 0.0625 = 0.0625$。合起來是 39.0625°C。

大端序的裝置配上小端序的讀法，是感測器移植裡最常見的一類 bug。用 byte 模式分兩次讀（i2cget ... 0x00 與 ... 0x01）就能立刻分辨到底是誰的順序錯了。

深入內容見 Spec / Datasheet 判讀 與 Sensor Porting。

GPIO

BMC 用大量 GPIO 做 presence 偵測（模組插了沒）、reset 控制、power button、LED、以及各種 strap 讀取。

每支腳可以設定成：

• 輸入——讀外部狀態，可搭配內部 pull-up / pull-down 決定沒接東西時的預設值。
• 輸出——推高或拉低，控制 LED、reset、enable 訊號。
• 中斷來源——邊緣觸發，用於「有東西被插入／拔出」這類事件。

Linux 的 GPIO 介面經歷過一次大改版：

	舊：sysfs	新：character device
路徑	/sys/class/gpio/	/dev/gpiochipN
定址	全域編號	chip 名稱 + chip 內 offset
狀態	已 deprecated	目前標準
工具	echo 到 sysfs	libgpiod（gpioget 等）

舊介面的全域編號會隨 kernel 版本與 probe 順序改變，腳本很容易失效。新東西一律用 libgpiod：

gpiodetect                    # 列出所有 gpiochip 與行數
gpioinfo <chip>               # 每一行的名稱、方向、目前用途
gpioget <chip> <line>         # 讀值
gpioset <chip> <line>=1       # 設值
gpiomon <chip> <line>         # 監看邊緣事件

gpioinfo 印出來的名稱來自 device tree 的 gpio-line-names。板子有把名稱填好的話，這是對照電路圖最快的路。

深入內容見 Hardware（硬體存取） 與 GPIO Hog。

ADC

BMC SoC 內建 ADC，把前面講過的分壓後的電壓轉成數位值。Linux 端由 IIO（Industrial I/O）子系統管理：

ls /sys/bus/iio/devices/iio:device0/
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_raw
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage_scale

OpenBMC 的 adcsensor 再把它接到 D-Bus，最終在 Redfish 上呈現。

四、管理協定：MCTP / PLDM / SPDM

前面講的都是實體怎麼傳。這一層講的是傳什麼內容——當 BMC 要管理的對象不再是一顆溫度感測器，而是一張 NIC、一顆 SSD、一片 GPU 這種本身就有韌體的智慧裝置時，就需要一套跨廠商的標準語言。

這三個協定都出自 DMTF，關係是分層的：

MCTP（Management Component Transport Protocol）

傳輸層。 定義一套與實體介質無關的封包格式與定址方式，讓管理訊息可以在 I2C／SMBus、PCIe VDM、USB、Serial、KCS 上通用。

• 每個端點有一個 EID（Endpoint ID），就像管理網路裡的 IP。
• 提供分層結構，讓上層協定（PLDM、SPDM、NC-SI）可以共存於同一條通道。
• 在 BMC 裡，MCTP 常常就是管理通訊的骨幹。

OpenBMC 以 libmctp 與 mctp daemon 實作。細節見 MCTP。

PLDM（Platform Level Data Model）

應用層的「做什麼」。 統一了管理功能的資料結構與命令格式，分成幾個獨立的規格：

模組	用途
PLDM for Firmware Update	標準化的韌體更新流程
PLDM for Sensor and Control	感測器讀值與控制
PLDM for Redfish Device Enablement	讓裝置直接提供 Redfish 資源
PLDM for Event Logging	系統事件記錄

實際價值在於：硬體廠商不必為每家 BMC 客製一套介面，BMC 也不必為每家裝置寫專屬 driver。一張支援 PLDM 的 NIC，任何支援 PLDM 的 BMC 都能更新它的韌體。

SPDM（Security Protocol and Data Model）

應用層的「可不可信」。 用於裝置之間的安全通訊：

• 雙向身分驗證——裝置之間互相驗證憑證，不是只有單向。
• 量測（measurement）——裝置回報自己韌體的雜湊值，BMC 可以比對是否被竄改。
• 以硬體信任根為基礎——搭配 TPM 等安全元件。
• 加密與完整性保護。

主要應對的是供應鏈安全：確認插進機箱的那張卡是真貨、跑的是原廠韌體，而不是被替換過的。

五、SoC：以 AST2600 為例

BMC 本身也是一顆 SoC。ASPEED 的 AST2600 是目前伺服器上最常見的一顆，OpenBMC 也是以它為主要支援平台。

面向	內容
主核	雙核心 ARM Cortex-A7
協處理器	ARM Cortex-M3，用於即時控制
記憶體	支援 DDR4 / DDR3
儲存	SPI、eMMC、SD
網路	雙 GbE，支援 NC-SI sideband
顯示	2D 硬體加速引擎，支援 VGA / HDMI 輸出
安全	TPM 2.0、Secure Boot、AES / SHA / RSA 硬體加速
管理協定	IPMI 2.0、Redfish、MCTP、PLDM、SPDM
I/O	PCIe、USB、多組 I2C 控制器、SPI、UART、GPIO

（確切的頻率、容量與 pin 數以 ASPEED 官方 datasheet 為準。）

從韌體角度看，這張表真正重要的是最後兩列：你能掛多少 I2C 裝置、有幾條 UART 可以路由，直接決定了 device tree 怎麼寫。開機流程與 driver 對應見 OpenBMC Boot Flow。

六、練習題

以下是把上面的東西串起來的最小練習，用任何一塊有 BMC 或 Linux 的開發板都能做：

練習 1：找出板上有什麼

i2cdetect -l                  # 有哪些 bus？各自來自哪個控制器？
i2cdetect -y <bus>            # 每條 bus 上有什麼？

目標：畫出這塊板子的 I2C 拓撲圖，並把每個位址對回電路圖上的元件。分辨 -- / 數字 / UU 三種狀態的意義。

練習 2：讀溫度

用 i2cget 直接讀溫度感測器的 0x00 暫存器，手動換算成攝氏度，再跟 /sys/class/hwmon/hwmonN/temp1_input 的值比對。

目標：確認自己的換算公式跟 kernel driver 算的一致——這一步對上了，之後移植新感測器就有信心了。順便踩一次 word 模式的 byte order。

練習 3：讀 FRU

i2cdump -y <bus> 0x50
ipmitool fru print

目標：對照 IPMI FRU 規格，在 raw dump 裡手動找出 header、各個 area 的 offset、以及製造商字串。理解 ipmitool 到底做了什麼解析。

練習 4：閃一顆 LED

用 gpioinfo 找出接 LED 的那一行，用 gpioset 讓它亮滅。

目標：建立「device tree 的 gpio-line-names → gpioinfo 顯示的名稱 → 電路圖上的網路名」這條對照鏈。

練習 5：驗證一路電壓

從 /sys/bus/iio/devices/ 讀出 ADC 的 raw 值與 scale，查電路圖上的分壓電阻算出比例，推回真實電壓，再拿三用電表量同一個測試點比對。

目標：親手驗證一次「raw × scale × 分壓比 = 真實電壓」。誤差在 1% 以內就算成功。

練習 6：更新一次 flash

在安全的前提下（確認有回復手段）用 flashcp 或 flash_erase + dd 更新一個非關鍵的 flash 分割，並在重開機後確認生效。

目標：理解 MTD 分割配置與韌體更新的實際流程。相關內容見 Flash。

七、還沒寫的

• 邏輯分析儀——I2C 掃不到裝置、偶發 NAK、clock stretching 相容性問題，最後都得靠它看波形。
• JTAG——SoC 卡在 boot ROM 連 console 都沒有時的最後手段。

參考

• I2C-bus specification（NXP UM10204）
• System Management Bus (SMBus) Specification
• PMBus Specification
• DMTF PMCI Working Group（MCTP / PLDM / SPDM）
• IPMI Platform Management FRU Information Storage Definition
• TI TMP75 Datasheet
• ASPEED AST2600 產品頁
• libgpiod
• Linux kernel — IIO subsystem