摘要：为解决M.2 KEY B接口兼容性、减少板内空间的问题，根据M.2 KEY B的规范，分析每个PIN定义的信号特性，使USB3.0信号和SATA信号互不干涉，对USB3.0模块和SATA模块与M.2 KEY B接口的兼容性开展设计。检测M.2 KEY B接口接入模块类型，根据检测模块的类型切换接口的工作电压。利用基本输入输出系统配置一个GPIO信号控制M.2 KEY B接口的供电电压，当接入USB3.0模块时，设计GPIO为高电平，供电电压为3.3 V；当接入SATA模块时，设计GPIO为低电平，供电电压为3.6 V。采用5G模块试验对USB3.0模块进行论证，SATA模块用固态硬盘进行验证。结果表明：所提出的M.2 KEY B接口设计方法，能够很好地兼容USB3.0模块和SATA模块。

　　关键词：M.2 KEY B；BIOS；5G；固态硬盘

　　Abstract:In order to solve the compatibility issue of M.2KEYB interface and reduce board space,according to the specifications of M.2KEYB,the signal characteristics defined by each PIN are analyzed to ensure that the USB3.0 signal and SATA signal do not interfere with each other.The compatibilities of the USB3.0 module and SATA module with the M.2KEYB interface are designed.The type of M.2KEYB interface access module is detected,and the working voltage of the interface is switched based on the type of detection module.Basic input output system is used to configure a GPIO signal to control the power supply voltage of the M.2KEYB interface,when connecting to the USB3.0 module,the GPIO is designed to be high level and the power supply voltage to be 3.3 V;when connecting to the SATA module,the GPIO is designed to be low level and the power supply voltage to be 3.6 V.The USB3.0 module is tested and demonstrated by using 5G modules,while the SATA module is validated by using solid state disk.The results show that by using the proposed M.2KEY B interface design method,both USB3.0 and SATA modules can be well compatibled.

　　Key words:M.2 KEY B;BIOS;5G;solid state disk

　　0引言

　　M.2接口是一种新的主机接口方案，可以兼容多种通信协议，如SATA、PCIe、USB、HSIC、UART、SMBus等，是Intel推出的一种替代MSATA的新接口规范。MSATA的固态硬盘体积已经足够小了，但在大小相同的情况下，M.2可以提供更大的存储容量。M.2 KEY B的接口是Intel新推出的M.2接口，因结构紧凑且支持多种类型的卡，可以连接SATA信号模块(固态硬盘)、USB3.0信号模块(5G模块)等，其种类繁多，深受广大厂家喜爱，且已被广泛应用于单板平台领域。

　　现有M.2 KEY B接口单独接USB3.0信号模块或者单独接SATA信号模块都可以实现，但由于USB3.0信号模块和SATA信号模块的供电电压不一致(如5G模块的供电电压为3.6 V，固态硬盘的供电电压为3.3 V)，而M.2KEY B接口电压固定，因此无法在同一个M.2 KEY B接口上兼容2种模块。实际使用过程中，用户一般只能选择接入USB3.0信号模块或SATA信号模块或其他型号接口模块，而满足不同客户对不同模块的应用需求，往往需要设计多个不同机型，或在一个机型中设置多个M.2 KEY B接口。这样一来，不仅占用计算机接口资源和机内空间，且人力物力成本高。因此，设计一种可以使用USB3.0信号模块和SATA信号模块的M.2 KEY B接口显得尤为重要。

　　现有M.2 KEY B接口在板载空间有限的情况下，只能设计固定电压来决定M.2 KEY B接口后续连接的设备，导致只能单独接USB3.0信号模块或者单独接SATA信号模块，不能灵活切换。文中设计可以解决此问题，并可以增加M.2 KEY B接口的复用性。M.2 KEY B接口可以接USB3.0信号模块，也可以接SATA信号模块，可以根据实际需求来选择外接模块，提供了更多选择，也节省了板内空间和成本[1-5]。

　　1总体方案设计及原理

　　本文提出增加电压切换电路，在同一个M.2 KEY B接口兼容5G模块和SATA信号模块的固态硬盘(Solid State Disk，SSD)设计方法，总体设计方案如图1所示。

　　总体方案提供一种兼容5G模块和SSD的M.2 KEY B接口设计，在M.2 KEY B接口设计中，USB3.0信号接口管脚与SATA信号接口管脚互相独立，将这2组信号同时接到M.2 KEY B连接器上，满足扩展5G模块和SSD的基本条件。USB3.0信号是扩展5G模块的信号，SATA信号是扩展SSD的信号，在原理图上将USB3.0信号和SATA信号都连接到M.2 KEY B接口，满足该设计的先决条件。由图1可知，所设计的M.2 KEY B接口整体包括M.2 KEY B接口模块、电压切换模块和基本输入输出系统(Basic Input Output System，BIOS)检测模块三部分。其中，BIOS检测模块与M.2 KEY B接口的配置管脚CON⁃FIG_0-3通信连接，BIOS检测模块能检测到M.2 KEY B接口连接的接入模块类型，依据接入模块类型，PCH发出一个GPIO电压控制信号；电压切换模块与BIOS检测模块通信连接，并依据BIOS检测模块发出的GPIO电压控制信号反馈至电压切换模块，从而向M.2KEY B接口输出对应的电压[6-10]。

　　当GPIO电压控制信号为高电平时，电压切换模块输出3.6 V到M.2 KEY B接口，此时M.2 KEY B接口的工作电压为3.6 V；当GPIO电压控制信号为低电平时，电压切换模块输出3.3 V到M.2 KEY B接口，此时M.2 KEY B接口的工作电压为3.3 V。3.6 V和3.3 V正好对应5G模块和SSD的工作电压，满足二者模块兼容的工作电压。该方案能够使BIOS检测模块依据配置管脚获取接入模块的类型，并依据接入模块的种类对供电电压进行调节，从而实现对多种接入模块的兼容[11-12]。

　　2重要组成模块

　　通过BIOS监测M.2 KEY B管脚CONFIG_0-3状态，进而判断M.2 KEY B接入的模块类型，并自动切换模块对应的供电电压，从而实现M.2 KEY B接口对USB3.0信号模块和SATA信号模块的兼容。

　　M.2 KEY B接口定义如图2所示，7、9、29、31、35、37为USB3.0信号引脚，41、43、47、49为SATA信号引脚，1、21、69、75为CONFIG[0:3]检测信号引脚，2、4、70、72、74为电压引脚，其余引脚不在一一赘述。

　　M.2 KEY B接口CONFIG[0:3]配置如表1所示。BIOS可以通过检测M.2 KEY B接口中CONFIG[0:3]的值来判断M.2 KEY B接口的接入模块类型。当CONFIG[0:3]=0000时，接入的是SATA信号模块(固态硬盘)；当CONFIG[0:3]=0001或0101或0011或0111时，接入的是USB3.0信号模块(5G模块)。根据接入模块的类型，BIOS可以读取CONFIG[0:3]的值，以判断接入的是5G模块还是SSD，然后PCH发出一个GPIO电压控制信号[13-15]。

　　3测试验证与结果分析

　　一般情况下工控机的M.2 KEY B接口可能会接固态硬盘或者5G模块(下面以确定模块进行实例说明)。当M.2 KEY B接口接上设备时，BIOS通过检测CONFIG[0:3]信号，根据M.2 KEY B接口CONFIG[0:3]配置表来判断M.2 KEY B接口的接入模块类型；当CONFIG[0:3]=0000时，接入的是SATA信号模块(固态硬盘)；当CONFIG[0:3]=0001或0101或0011或0111时，接入的是USB3.0信号模块(5G模块)。BIOS根据接入模块的类型，控制南桥PCH发出一个GPIO控制信号，去控制DCDC电源芯片后端的电压切换电路，通过控制电压切换电路中的上下拉电阻阻值来切换输出电压[16]。

　　当BIOS检测到M.2 KEY B接口接的是固态硬盘时，从南桥PCH发出一个低电平的GPIO信号，从而输出M.2 KEY B接口搭载固态硬盘的工作电压为3.3 V；同理，当BIOS检测到M.2 KEY B接口接的是5G模块时，从南桥PCH发出一个高电平的GPIO信号，去控制DCDC电源芯片后端的上下拉阻值，从而输出M.2 KEY B接口搭载5G模块的工作电压3.6 V[17]。硬件部分电路如图3所示。

　　电压切换原理：通过DCDC电源芯片(NB691)转化接口电压VCC_KEY_B，GPIO信号默认为低电平。当识别到接入模块为固态硬盘时，发出GPIO信号为低电平，MOS管不导通，并联电阻断开，上拉电阻为R835，下拉电阻为R836，输出电压为默认工作电压3.3 V。当识别到接入模块为5G模块时，发出GPIO信号为高电平，此时，MOS管导通，接入并联电阻R834，上拉电阻为R835,下拉电阻为(R836×R834)/(R836+R834)，经计算接口电压为3.6 V，从而实现5G模块的正常使用。电压自动切换流程如图4所示。

　　4结束语

　　本文兼容5G模块和SSD的M.2 KEY B的接口方案设计，解决了在主板上M.2 KEY B接口只能接一种模块，不能灵活切换的问题，大大提高了M.2 KEY B接口的实用性。从电路设计上看，进行兼容性设计，将电路模块化，使电路设计的更加规范化，可以解决M.2 KEY B接口只能单独接一种模块的问题，也增加了M.2 KEY B接口的复用性，M.2 KEY B接口可以接USB3.0信号模块，也可以接SATA信号模块，可以根据实际需求来选择外接模块，为使用者提供了更多选择，也能节省板内空间和成本。所提设计应用前景较好。

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