在现代计算机体系结构中，尤其是在笔记本电脑等移动平台中，存在一个至关重要的组件，它默默无闻地工作，却主导着系统的功耗、稳定性和用户交互体验。这就是嵌入式控制器（Embedded Controller, EC）。

嵌入式控制器（EC）

▲ EC 是什么？

EC 是一种专用的低功耗微控制器（MCU），集成在主板上，负责处理大量与主处理器（Application Processor, AP）解耦的系统级任务。其最显著的特点之一是“始终在线”（always-on）的运行模式：只要主板持续供电，即便电脑休眠或关机，它依然在工作，随时准备响应你的唤醒、开机等指令。

▲ 为什么需要 EC?

EC 的诞生源于计算机系统设计中的一个基本原则：功能分工。主处理器（CPU）擅长执行高性能的复杂计算任务，但若同时承担大量低速、琐碎且需实时响应的硬件控制工作，将严重影响系统整体效率。

EC 正是为此诞生的一种专用低功耗控制器，用于分担这类任务。它的职责也因此不断演进：在 PC 发展早期，为避免 CPU 被键盘频繁的中断和扫描操作所干扰，工程师引入了微控制器（即 EC 的前身）来专门监控键盘矩阵，并将处理后的按键信号上传至主机。

• 在 PC 发展早期，为避免 CPU 被键盘频繁的中断和扫描操作所干扰，工程师引入了微控制器（即 EC 的前身）来专门监控键盘矩阵，并将处理后的按键信号上传至主机。
• 随着笔记本电脑普及，EC 的角色显著扩展，它接管了电源管理、散热风扇控制和快捷键响应等功能。
• 如今，EC的控制已深入系统底层，其职责已涵盖复杂的充电协议（如USB PD）、多样的传感器管理，以及“开盖唤醒/启动”等功能。

总的来看，EC 的存在使得许多对时效性和功耗有严苛要求的底层任务从 CPU 中解耦，显著提升了系统的响应效率、稳定性与能效表现。

▲ EC 的职责

EC 覆盖的职责范围非常广泛，涉及多个与底层硬件紧密交互的实时控制任务。其核心功能涵盖电源管理、热控制、人机交互、传感器协同等多个方面，是保障系统稳定运行、降低功耗、优化用户体验的关键组成部分。

下表对 EC 的主要职责进行了分类整理，以便更直观地展现其在系统中的角色分工。

表1：EC功能与职责

▲ 主机与 EC 的桥梁

EC与主机之间需要一条稳定高效的物理通道来交换命令和数据。随着技术的演进，连接EC的总线也经历了一次重要的升级换代，从传统的LPC总线演进到了现代PC架构的新标准——eSPI 总线。

过去，这种连接主要依赖LPC（Low Pin Count）总线。LPC以其结构简单、兼容性强的特点服务了多年。然而，随着笔记本电脑向着更轻薄、更长续航、功能更复杂的方向发展，LPC在带宽、功耗和引脚数量上的局限性日益凸显，已无法满足现代系统的需求。

为此，Intel推出了LPC的继任者——eSPI（Enhanced Serial Peripheral Interface）总线，并迅速成为现代PC平台的新标准。eSPI针对PC体系结构进行了全面优化：

• 更少的引脚：显著减少了物理引脚数量，简化了主板布线。
• 更低的电压：工作电压降至1.8V，降低了功耗，并更好地适配主流SoC。
• 更高的频率：提升了时钟频率，并支持双通道和四通道模式，大幅提升了数据吞吐量。

这些技术进步为现代轻薄型笔记本的设计带来了显而易见的益处。更少的引脚和更低的电压，意味着主板设计可以更简洁、功耗更低、续航更长。

而eSPI提供的更高带宽，则为EC承担更复杂的任务提供了坚实的基础，使其能够从容应对高频的传感器数据读取、复杂的USB-C Power Delivery协议协商等对通信速率要求高的功能。

表2：LPC vs. eSPI 总线对比

深入x86平台 EC

深入x86平台 EC，首先聚焦其广泛应用于 Windows 平台笔记本和台式机中的EC生态。

▲ x86平台 EC

‘x86平台EC’ 并非指 EC 本身采用 x86 指令集，而是指其用于配合搭载 Intel 或 AMD x86 架构处理器的 PC 系统平台。事实上，EC 通常基于 ARM、RISC-V 或其他 RISC（精简指令集）架构的 MCU，这类架构以低功耗、快速响应为优势，更适合处理实时性强、资源受限的底层任务。

这种设计与主处理器所采用的 CISC（复杂指令集计算机）架构形成了互补关系：前者专注于任务调度和状态管理，后者承担高性能的应用处理。

基于这样的设计定位，x86 平台逐渐发展出一套成熟的 EC 生态系统，芯片方案主要由几家厂商提供并广泛应用于主流 PC 产品中。其中较为常见的供应商包括新唐科技（Nuvoton）、联阳半导体（ITE Tech）和微芯科技（Microchip）等。

这张简化系统框图描绘了基于 Intel Kaby Lake U MCP 平台的核心组件连接。图中央的 Intel KABYLAKE_U MCP 是主处理器，它通过 eSPI 接口与 SMSC KBC MEC1505 这个EC紧密连接。

EC 负责直接管理键盘/触摸板和系统散热风扇。这张图是系统主要模块连接的概览，因此没有展示所有详细的电路和元件，实际上和EC相连接的还有SPI Flash、LED灯等模块。

▲ 主机与EC通信方式

在Windows操作系统中，EC与系统的交互深度整合在ACPI（高级配置与电源接口）框架之内。我们可以将这种复杂的交互分解为三个逻辑层面来理解：上层的ACPI抽象接口、中层的系统核心驱动以及底层的硬件通信协议。

1. 上层：ACPI抽象接口 (The “API” Layer)

系统固件（BIOS/UEFI）会提供一系列ACPI表（如DSDT和SSDT），这些表中用ACPI机器语言（AML）定义了EC所支持的功能。这些功能被封装成一个个标准化的“控制方法”（Control Methods）。

操作系统只需调用这些抽象的、如同API般的方法，即可命令EC工作，而无需关心其底层的硬件实现细节。

取自ACPI-spec6.5 4.8节

2. 中层：Acpi.sys 核心驱动 (The “Translator” Layer)

Windows内置的 Acpi.sys 驱动程序是连接操作系统与EC等硬件的核心桥梁。它的主要职责是：在系统启动时解析BIOS提供的ACPI表，将硬件功能呈现给操作系统；并在运行时，将操作系统发出的标准请求（如获取电池信息）翻译成EC能懂的底层硬件命令。

3. 底层：硬件通信协议 (The “Physical” Layer)

这是 Acpi.sys 实际与EC进行“对话”的方式。这个通信过程遵循ACPI规范，包含两种方向的通信：

主机到EC的通信（命令/查询）： 当 Acpi.sys 需要执行一个ACPI方法时，它会通过I/O端口与EC通信。

• 检查状态：首先查询 命令/状态寄存器 (Port 0x66)，等待输入缓冲（IBF）标志位清空，表示EC已准备好接收命令。
• 发送命令/数据：向 命令/状态寄存器 (Port 0x66) 或 数据寄存器 (Port 0x62) 写入相应的字节。
• 获取响应：等待输出缓冲（OBF）标志位置位，表示EC已将响应数据准备好，然后从 数据寄存器 (Port 0x62) 读取结果。 这个“检查-发送-等待-读取”的握手过程确保了主机与EC之间的同步。

EC到主机的通信（事件通知）： 当EC需要主动报告一个事件时，它无法直接向CPU发送复杂数据。

• 触发中断：EC会向CPU发送一个系统控制中断（System Control Interrupt, SCI）。
• 系统响应：Acpi.sys 捕获到这个SCI中断，但它只知道“有事发生”，并不知道具体是什么事。
• 查询事件：因此，Acpi.sys 会立即通过上述的主机到EC通信方式，向EC发送一个“查询事件”的命令（例如，读取EC的特定状态字节）。
• 执行方法：EC返回一个事件代码（如0xBA代表合盖），Acpi.sys 根据这个代码，去执行ACPI表中预定义好的相应方法（如_QBA），从而完成整个事件的上报和处理。

总结一下这个流程：

1. 用户合上笔记本盖子，EC 检测到该物理事件。
2. EC 向主机发送 System Control Interrupt（SCI）中断，通知系统有事件发生。
3. Acpi.sys 捕获 SCI 中断后执行标准查询流程：
4. 通过 0x66 端口发送命令 0x84（EC Query）。
5. 然后从 0x62 端口读取返回的 “查询码”（如 0xBA）。
6. Acpi.sys 根据返回码 0xBA 映射到 ACPI 表中对应的 _QBA 控制方法并执行。
7. 例如，_QBA 方法中可能定义“执行屏幕关闭”、“挂起”等动作，系统根据 _QBA 方法执行相应电源或UI逻辑。

▲ EC固件：隐藏的软件层

EC 固件是实现 EC 功能的软件核心，但对最终用户而言通常是“看不见的”。其更新一般不会单独发布，而是与系统 BIOS/UEFI 一同打包，由设备制造商（OEM）提供。

x86平台EC整个系统围绕 ACPI 架构构建，ACPI定义了操作系统与 EC 的交互规范。这一高度标准化的模型保障了与 Windows 等主流操作系统的良好兼容性，成为 PC 平台稳定运行的基础。

然而，随着计算生态不断演化，特别是基于ARM、RISC-V等非x86架构笔记本电脑的出现，催生了对不同EC实现方案的需求。对于那些希望在多样化硬件平台上实现统一底层控制、或寻求不依赖传统ACPI模型的方案的系统构建者而言，一种新的设计应运而生。这正是谷歌为其Chromebook打造ChromiumOS EC的背景

深入ChromiumOS EC

下文将详细探讨 ChromiumOS EC 的设计理念、通信模型与其在 ChromeOS 生态中的具体实现。

▲ ChromiumOS EC

自2012年左右，ChromiumOS EC的代码始终是开源的。其完整的源代码托管在chromiumos/platform/ec Git仓库中，仓库地址如下，供全球开发者查阅、使用和贡献。

https://chromium.googlesource.com/chromiumos/platform/ec

▲ 主机与EC通信方式

在ChromeOS设备中，主机与EC之间的通信遵循一套定义清晰、分层明确的协议，其核心是一个标准的“请求-响应”机制。其通信模型包含两个层面：

• 逻辑协议层 (Host Command Protocol)：定义了AP与EC之间“说什么”，即数据包的格式、命令的ID和参数。
• 物理传输层 (Physical Transport Layer)：定义了“怎么说”，即使用哪种物理总线（如eSPI, I2C, SPI等）来传输这些数据包。

为了更好地理解，我们来看一次完整的通信事务是如何在这两个层面协作下完成的。通信总是由主机发起，遵循一个标准的“请求-响应”模型。

第1步 – 主机侧：构建逻辑请求包

主机上的软件——无论是Linux内核中 cros_ec系列驱动（位于drivers/platform/chrome/），还是用户态的ectool等工具——首先会构建一个标准的二进制请求包。这个包在逻辑上由两部分组成：

1. 一个 struct ec_host_request 结构体，其中包含命令ID、参数长度和校验和。
2. 紧跟其后的、该命令所需的具体参数数据。

第2步 – 物理层：发送请求

主机驱动程序将构建好的逻辑请求包，通过选定的物理总线（如eSPI, I2C, SPI等）发送给EC。具体使用哪种总线取决于硬件设计。

第3步 – EC侧：接收与处理命令

EC上的固件从物理总线上接收到数据。数据首先由芯片特定的驱动代码处理，然后传递给通用的主机命令处理任务（HOSTCMD）。该任务会根据包中的命令ID，调用相应的处理函数来执行具体任务（如读取温度、设置键盘背光等）。

第4步 – 物理层：处理“忙碌”状态 (握手关键)

EC执行命令需要时间（通常是微秒到毫秒级）。在这段时间里，主机不能连续发送新命令，必须等待。EC通过物理层的特定机制来告知主机“请等待”。这是不同总线实现差异的核心所在：

1. LPC：EC会在其命令状态寄存器中设置一个“处理中”的状态位（如 EC_LPC_STATUS_PROCESSING），主机通过轮询该位来判断EC是否忙碌。
2. I2C：作为I2C总线上的从设备，EC会将SCL时钟线拉低，强制主机暂停传输，直到命令处理完毕。
3. SPI：在EC准备好响应之前，它会持续返回一个特定的前导字节（preamble）。主机则不断读取，直到收到特殊的“帧起始”字节（EC_SPI_FRAME_START），才知道有效的响应数据来了。
4. UART：主机发送完命令后立即等待。EC处理完毕后，通过UART异步发回响应。

第5步 – EC侧：封装逻辑响应包

命令执行完毕后，EC会构建一个逻辑响应包。其结构与请求包类似，包含一个 struct ec_host_response 结构体（内含执行结果码、返回数据长度和校验和）以及可选的返回数据。

第6步 – 物理层：返回响应与完成

EC将响应包通过同一物理总线发送回主机。主机在正确处理了第4步的等待后，接收到完整的响应包。至此，一次通信事务结束。

案例研究：键盘事件处理流程对比

前文从生态、架构与通信协议层面，阐述了传统x86平台EC与ChromiumOS EC的宏观差异。为了更具体地理解这些差异如何体现在实际功能中，本部分将以最常见的人机交互——键盘按键——为例，解析一个按键事件从物理触发到被操作系统响应的完整链路，方便理解两种体系在设计和实现上的不同。

▲ x86平台的键盘事件处理

在传统x86平台，键盘处理流程与ACPI和经典的键盘控制器（KBC）模型紧密结合。

处理流程：

1. EC硬件响应：用户按键后，EC内部兼容8042 KBC的模块捕获信号，生成原始扫描码。
2. 数据就绪与中断：EC将扫描码放入“输出缓冲寄存器”（I/O 0x60），并在“状态寄存器”（I/O 0x64）中设置标志位，然后通过专用的IRQ1向主CPU发送硬件中断。
3. 主机驱动读取：操作系统的i8042控制器驱动响应中断，直接访问I/O端口0x60，读取原始扫描码。
4. 翻译与上报：i8042驱动将扫描码交由上层键盘驱动进行翻译，转换为操作系统可识别的标准化键码，并送入输入子系统。

▲ ChromeOS EC 的键盘事件处理

在ChromeOS平台，EC在其中扮演了更主动的事件处理和封装角色

处理流程：

1. EC软件扫描：EC内的RTOS任务（keyboard_scan_task）扫描键盘矩阵，感知到按键变化。
2. 生成MKBP事件：EC固件将整个键盘矩阵的状态打包成一个结构化的MKBP（Matrix Keyboard Protocol）事件，并将其放入内部事件队列。
3. 通用事件通知：EC通过一个通用的主机事件中断（非专用于键盘）通知主机“有事件发生”。
4. 主机协议查询：主机驱动（cros_ec）响应中断后，通过主机命令协议发送一个EC_CMD_GET_NEXT_EVENT（获取下一个事件）的请求给EC。
5. EC响应事件：EC从队列中取出MKBP事件，将其作为响应数据打包，通过总线返回给主机。
6. 解析与上报：主机驱动接收响应，解析出键盘矩阵数据，计算出具体按键变化，再生成标准键码送入输入子系统。

当EC遇上RISC-V：进迭时空的探索

▲ 自研eSPI控制器

在任何一个现代计算平台中，主处理器与EC之间都需要一条高效、稳定的数据通道。为了让即将发布的芯片无缝融入并支持主流EC生态，进迭时空在其中集成了自研的eSPI控制器。

这为进迭时空即将发布的芯片提供了与现代 EC 进行通信所必需的、符合行业标准的物理接口。透过这条高速、低功耗、低引脚数的标准通道，进迭时空的 RISC-V 平台能够高效地处理来自EC的各类底层硬件交互，为上层应用的稳定运行提供硬件保障。

进迭时空的 eSPI 控制器完整实现了eSPI协议规范，支持所有标准通道类型：

1. 外设通道(Peripheral Channel)：支持I/O空间和内存映射访问，替代传统LPC接口。
2. 虚拟线通道(Virtual Wire Channel)：支持GPIO状态、系统中断、电源管理事件等控制信号传输。
3. 带外通信通道(OOB Channel)：支持SMBus/I2C协议转换，实现对温度传感器等外设的访问。
4. Flash访问通道(Flash Access Channel)：提供对共享Flash存储的访问能力，允许EC访问主处理器端的Flash存储器。

AP与EC连接示意图

▲ 软件策略

基于标准的eSPI接口，进迭时空对EC生态的支持分为两个阶段。

1.初期阶段：支持ChromiumOS EC框架

• 芯片发布初期不支持ACPI。在此阶段，平台将支持ChromiumOS EC通信框架。采用此框架，开发者可利用Linux内核的cros_ec驱动程序，有助于降低软件开发成本、加速产品上市。

2.未来规划：兼容ACPI并提供选项

• 未来，平台计划增加对ACPI规范的支持，以兼容传统的PC生态。届时，基于eSPI控制器的设计，平台将同时支持ACPI EC生态与ChromiumOS EC框架，合作伙伴可根据产品需求选择相应的方案。

结语：演进与未来

从经典的键盘控制器演化至今，EC已成为负责电源、散热、交互等关键底层任务的复杂微控单元。

本文所探讨的两种EC实现——x86平台 EC 和 ChromiumOS EC——代表了两种不同的设计哲学和生态模式，两者并无绝对的优劣之分，而是分别服务于不同的技术背景与市场需求。x86平台EC的模式支撑了当今PC世界，而ChromiumOS EC在非传统PC架构（如RISC-V或ARM平台）上，提供了另一种强大的、可定制的实现思路。

EC技术的持续发展，无论是遵循哪种模式，都在不断提升设备的能效、用户体验和系统可靠性。未来，EC或其演进形态将继续在各类智能设备中扮演着不可或缺的核心角色。