24小時(shí)聯(lián)系電話:18217114652、13661815404
中文
公司新聞
I3C，下一代傳感器的高性能接口
I3C，下一代傳感器的高性能接口
子傳感器市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，同比增長(zhǎng)率達(dá)到兩位數(shù)。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)和平板電腦）和可穿戴設(shè)備中引入的大量傳感器。由于采用了傳感器融合技術(shù)，前所未有的應(yīng)用場(chǎng)景現(xiàn)在成為可能，通過(guò)該技術(shù)將從多個(gè)傳感器獲取的信息組合以獲得單個(gè)傳感器無(wú)法獲得的高級(jí)聚合信息。最常用于與這些傳感器進(jìn)行通信和控制的接口是內(nèi)部集成電路 (I2C)，其規(guī)格由飛利浦半導(dǎo)體（現(xiàn)為 NXP）于 1982 年推出。另一種常見(jiàn)接口是 SPI。至于SPI，它需要四根線，并且有許多不同的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆](méi)有明確定義的標(biāo)準(zhǔn)。
這種在短時(shí)間內(nèi)變得非常流行的接口的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要兩個(gè)信號(hào)（一個(gè)用于數(shù)據(jù)，一個(gè)用于時(shí)鐘），可以在同一總線上連接多個(gè)設(shè)備，并且能夠支持不同的傳輸速率。然而，I2C 接口有一些重要的限制，包括連接到總線的從設(shè)備無(wú)法發(fā)起通信，需要使用上拉電阻（這會(huì)導(dǎo)致功率吸收增加和上升時(shí)間緩慢），以及限制性能的通信協(xié)議。
當(dāng)今與傳感器的接口對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，請(qǐng)記住市場(chǎng)上有多種接口（I2C、SPI、UART 等），而擁有一個(gè)一致且通用的協(xié)議（a一種通用接口）與各種傳感器進(jìn)行通信。在本文中，我們將看到一個(gè)能夠響應(yīng)這些需求、結(jié)合 I2C 和 SPI 的優(yōu)勢(shì)并添加新功能的接口如何存在：I3C 接口，其正式名稱為 MIPI 聯(lián)盟改進(jìn)的內(nèi)部集成電路.
I3C接口的目的
在保持向后兼容性的原始 I2C 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，由 MIPI 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化的新 I3C接口增加了改進(jìn)和重要的附加功能，例如多點(diǎn)操作機(jī)制。這種創(chuàng)新接口的主要目的是引入一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理與不同類型傳感器的通信，同時(shí)確保高性能、低功耗和減少接口引腳數(shù)量。圖1展示了界面的應(yīng)用圖，在其中我們可以立即看到：
只有兩條線（SDA 和 SCL）的通信總線，與傳統(tǒng) I2C 完全一樣
多種速度通信模式，允許高達(dá) 30.3Mbps 的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)
帶內(nèi)中斷和熱連接機(jī)制
在同一總線上連接多個(gè)主節(jié)點(diǎn)的可能性
能夠連接 I3C 和 I2C 從設(shè)備（向后兼容）
圖 1：I3C 總線應(yīng)用圖
I3C 接口中引入的新功能之一是，連接到總線的每個(gè)從設(shè)備都可以利用用于通信協(xié)議的相同 SDA 和 CLK 線生成中斷信號(hào)。在這方面，我們稱之為“帶內(nèi)”中斷 (IBI)，這意味著不需要額外的線路或信號(hào)，從而節(jié)省成本并簡(jiǎn)化連接。以完全類似的方式，可以管理帶內(nèi)命令代碼。其他顯著特性包括 7 位動(dòng)態(tài)尋址，僅適用于 I3C 設(shè)備（仍保留傳統(tǒng) I2C 接口的靜態(tài)尋址）、多主操作以及對(duì)總線上“熱插拔”設(shè)備的支持（熱連接功能） . I3C 接口還支持低功耗操作并顯著提高傳輸數(shù)據(jù)速率，
I3C：技術(shù)概述
從電氣的角度來(lái)看，I3C 接口與 I2C 標(biāo)準(zhǔn)有一些相似之處（例如只有兩條線，SDA 和 SCL），但也有一些顯著差異。首先，數(shù)據(jù)信號(hào) (SDA) 具有開(kāi)漏配置（例如，可以使用集電極開(kāi)路輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)），允許從設(shè)備控制總線并發(fā)送中斷。時(shí)鐘信號(hào) (SCL) 可以切換到推挽配置，這允許主設(shè)備生成基本頻率為 12.5 MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，I3C 具有四種數(shù)據(jù)傳輸模式：SDR 模式下的 12.5 Mbps（默認(rèn)）和 HDR 模式下的 25、27.5 和 39.5 Mbps。不包括鏈接到每個(gè)事務(wù)的控制字節(jié)，可實(shí)現(xiàn)的實(shí)際比特率分別為 11.1、20、23.5 和 33.3 Mbps。
在左側(cè)的圖 2 中，我們看到了 I3C（在其不同操作模式下）與傳統(tǒng) I2C 接口的功耗 (mJ/Mb) 之間的比較。藍(lán)色條形圖表示 3.3V 總線電源電壓，而紅色條形圖表示 1.8V 電源電壓。在圖 2 的右側(cè)，比較了分別使用 I3C 和 I2C 可獲得的原始比特率。對(duì)這些圖表的檢查表明，即使在兼容的 I2C 模式下，新的 I3C 接口如何比傳統(tǒng) I2C 更節(jié)能，并且支持超過(guò) 33 Mbps 的有效傳輸速度。
圖 2：I3C 和 I2C 在功率吸收和數(shù)據(jù)速率方面的比較
帶內(nèi)中斷
由于 IBI 功能，I3C 標(biāo)準(zhǔn)克服了傳統(tǒng) I2C 接口的一個(gè)經(jīng)典限制，即從節(jié)點(diǎn)無(wú)法在總線上自發(fā)地發(fā)起自己的事務(wù)。為此，傳統(tǒng) I2C 和 SPI 接口都需要專用線路，從而增加了成本和布線復(fù)雜性。另一方面，如果總線處于空閑狀態(tài)，帶內(nèi)功能允許每個(gè) I3C 從設(shè)備在它們認(rèn)為必要時(shí)啟動(dòng) START 事務(wù)。為此，如果總線可用，從節(jié)點(diǎn)將 SDA 線拉低并等待當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)將 SCL 線拉低，完成 START 階段。通過(guò)在 SCL 線上向從機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)允許后者用自己的地址驅(qū)動(dòng) SDA 線。如果多個(gè)從設(shè)備同時(shí)嘗試訪問(wèn)總線，仲裁電路會(huì)為地址最低的從設(shè)備分配優(yōu)先級(jí)。此時(shí)，master 有三個(gè)選項(xiàng)可用：
接受slave的請(qǐng)求，發(fā)送ACK并獲取slave發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)。
拒絕來(lái)自從設(shè)備的請(qǐng)求，但不禁用中斷（被動(dòng) NACK）。一旦總線可用，從站現(xiàn)在可以重試操作。
通過(guò)禁用中斷并發(fā)送 NACK 來(lái)拒絕來(lái)自從設(shè)備的請(qǐng)求。
從設(shè)備使用帶內(nèi)中斷機(jī)制將事件或狀態(tài)變化通知主設(shè)備。通過(guò)這種機(jī)制自發(fā)發(fā)送信息的可能性允許 I3C 傳感器僅在這些物理量發(fā)生顯著變化時(shí)（例如，想想檢測(cè)下降運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)），而不需要與傳統(tǒng) I2C 和 SPI 接口一樣的專用中斷線。
熱連接功能
此功能允許 I3C 傳感器在正確配置后連接到總線。在現(xiàn)代基于傳感器的應(yīng)用中，例如與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的多種場(chǎng)景，不僅要確保高性能，還要確保高效運(yùn)行，從而最大限度地降低傳感器（主要由電池供電）的功耗。由于具有熱連接功能，傳感器可以在不需要時(shí)保持關(guān)閉（或處于低功耗狀態(tài)），并且僅在數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)奶囟〞r(shí)期才連接到總線，與傳統(tǒng)的“永遠(yuǎn)在線”解決方案。熱連接請(qǐng)求只能由尚未分配動(dòng)態(tài)地址的從站執(zhí)行。為此，從站使用為此功能保留的物理地址；
同樣重要的是離線功能，它允許從節(jié)點(diǎn)變?yōu)榉腔顒?dòng)狀態(tài)，然后在稍后恢復(fù)正常操作。有兩種離線模式：
從機(jī)完全不活動(dòng)（相當(dāng)于斷電），只有在發(fā)生某些外部事件時(shí)才恢復(fù)活動(dòng)；當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，從設(shè)備熱加入總線以獲得一個(gè)新的動(dòng)態(tài)地址。
從設(shè)備部分處于非活動(dòng)狀態(tài)，從某種意義上說(shuō)，它繼續(xù)監(jiān)視總線以檢查是否向它發(fā)送了命令，例如從設(shè)備復(fù)位，根據(jù)這些命令，從設(shè)備將喚醒并返回操作。
常用命令代碼
一個(gè)非常有用的功能是通用命令代碼 (CCC)，即主機(jī)用來(lái)與連接到總線（廣播）的所有從機(jī)或特定從機(jī)進(jìn)行通信的命令。CCC 命令包括標(biāo)準(zhǔn)操作，例如啟用/禁用事件、處理特定 I3C 總線功能（例如，動(dòng)態(tài)尋址和時(shí)序控制）或其他總線操作。所有與 CCC 命令相關(guān)的代碼均由 MIPI 聯(lián)盟定義，一些值保留用于未來(lái)擴(kuò)展。
圖 3：動(dòng)態(tài)地址分配 ENTDAA CCC 總線模式
主控請(qǐng)求
此功能允許輔助主機(jī)在他們打算獲取活動(dòng)主機(jī)角色時(shí)發(fā)送主機(jī)身份請(qǐng)求 (MR)。如果當(dāng)前船長(zhǎng)接受該請(qǐng)求，則將船長(zhǎng)從后者轉(zhuǎn)移到次要船長(zhǎng)。
通訊方式
I3C接口為用戶提供了多種通信方式，可分為以下幾類：
單數(shù)據(jù)速率 (SDR) 是與傳統(tǒng) I2C 接口的消息交換兼容的模式，并提供高達(dá) 12.5 .MHz 的數(shù)據(jù)速率
高數(shù)據(jù)速率 (HDR) 包括幾種與 I2C 不兼容的消息交換模式。在 SDR 和 HDR 操作模式下，SDA 引腳用作雙向數(shù)據(jù)信號(hào)。第二個(gè)引腳在 SDR 和 HDR-DDR 模式下用作時(shí)鐘信號(hào)（SCL）或在 HDR-TSL 和 HDR-TSP 協(xié)議通信模式下用作雙向數(shù)據(jù)信號(hào)。
SDR 模式支持不同類型的消息，例如標(biāo)準(zhǔn) I2C 消息、廣播消息和 CCC 消息，這些消息允許主設(shè)備與總線上的所有設(shè)備通信并處理從設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的請(qǐng)求（例如，帶內(nèi)中斷或請(qǐng)求假設(shè)主人的角色）。有兩種主要的 HDR 模式：HDR-DDR（雙倍數(shù)據(jù)速率）和 HDR-TSL/TSP（三進(jìn)制符號(hào)），它們提供高于 33 Mbps 的比特率，并且比快速模式（400 kHz）下的標(biāo)準(zhǔn) I2C 的吸收更低）。HDR-DDR 可用于與 MIPI I3C 從設(shè)備通信，允許傳統(tǒng) I2C 設(shè)備連接在同一總線上，這將忽略高速 MIPI I3C HDR 廣播。HDR-DDR 模式使用 SCL 信號(hào)作為時(shí)鐘，SCL 兩側(cè)的數(shù)據(jù)位同步。另一方面，HDR-TSL/TSP 模式允許三進(jìn)制符號(hào)編碼（即，三位數(shù)基本代碼）用于 I3C (TSP) 和 I2C-legacy inclusive (TSL) MIPI 系統(tǒng)。HDR-TSL 同時(shí)使用 SCL 和 SDA 作為數(shù)據(jù)線，其中每個(gè)周期至少必須經(jīng)過(guò)一條線。轉(zhuǎn)換索引用于將二進(jìn)制符號(hào)的傳輸編碼為三進(jìn)制，以實(shí)現(xiàn)以非常低的功率進(jìn)行高速傳輸。
圖 4：進(jìn)入 HDR 模式 CCC 總線模式
與 I2C（和 SPI）的主要區(qū)別
由于使用推挽（而不是開(kāi)漏）和強(qiáng)上拉信號(hào)，所有 I3C 模式提供的每比特傳輸功耗低于 I2C。此外，I3C 可以通過(guò)使用更高的數(shù)據(jù)速率（結(jié)合深度睡眠模式）、IBI 以及從設(shè)備禁用所有內(nèi)部時(shí)鐘同時(shí)仍然在 I3C 總線上正常運(yùn)行的能力來(lái)進(jìn)一步節(jié)省功耗。在傳統(tǒng) I2C 中，時(shí)鐘延長(zhǎng)（從機(jī)將時(shí)鐘保持在低電平，阻止其運(yùn)行）通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題，包括總線卡住。這不會(huì)發(fā)生在 I3C 總線上，因?yàn)橹挥兄鳈C(jī)可以驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，而從機(jī)在 SDA 上執(zhí)行與該時(shí)鐘相關(guān)的所有操作，從而消除了掛起的風(fēng)險(xiǎn)。還應(yīng)該注意的是，I3C 規(guī)范的下一個(gè)修訂版將包括從復(fù)位功能來(lái)復(fù)位無(wú)響應(yīng)的 I3C 從器件。I3C旨在解決這個(gè)問(wèn)題，