I3C，下一代傳感器的高性能接口

2021-06-09

I3C，下一代傳感器的高性能接口

子傳感器市場(chǎng)不斷擴大，同比增長(cháng)率達到兩位數。推動(dòng)這一增長(cháng)的主要因素是物聯(lián)網(wǎng)設備、移動(dòng)設備（智能手機和平板電腦）和可穿戴設備中引入的大量傳感器。由于采用了傳感器融合技術(shù)，前所未有的應用場(chǎng)景現在成為可能，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部集成電路 (I2C)，其規格由飛利浦半導體（現為 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(xiàn)，并且有許多不同的實(shí)現，因為沒(méi)有明確定義的標準。

這種在短時(shí)間內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（一個(gè)用于數據，一個(gè)用于時(shí)鐘），可以在同一總線(xiàn)上連接多個(gè)設備，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(xiàn)的從設備無(wú)法發(fā)起通信，需要使用上拉電阻（這會(huì )導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。

當今與傳感器的接口對設計人員來(lái)說(shuō)是一項艱巨的挑戰，請記住市場(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)能夠響應這些需求、結合 I2C 和 SPI 的優(yōu)勢并添加新功能的接口如何存在：I3C 接口，其正式名稱(chēng)為 MIPI 聯(lián)盟改進(jìn)的內部集成電路.

I3C接口的目的

在保持向后兼容性的原始 I2C 標準的基礎上，由 MIPI 聯(lián)盟標準化的新 I3C接口增加了改進(jìn)和重要的附加功能，例如多點(diǎn)操作機制。這種創(chuàng )新接口的主要目的是引入一個(gè)通用標準來(lái)管理與不同類(lèi)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量。圖1展示了界面的應用圖，在其中我們可以立即看到：

只有兩條線(xiàn)（SDA 和 SCL）的通信總線(xiàn)，與傳統 I2C 完全一樣

多種速度通信模式，允許高達 30.3Mbps 的數據數據

帶內中斷和熱連接機制

在同一總線(xiàn)上連接多個(gè)主節點(diǎn)的可能性

能夠連接 I3C 和 I2C 從設備（向后兼容）

圖 1：I3C 總線(xiàn)應用圖

I3C 接口中引入的新功能之一是，連接到總線(xiàn)的每個(gè)從設備都可以利用用于通信協(xié)議的相同 SDA 和 CLK 線(xiàn)生成中斷信號。在這方面，我們稱(chēng)之為“帶內”中斷 (IBI)，這意味著(zhù)不需要額外的線(xiàn)路或信號，從而節省成本并簡(jiǎn)化連接。以完全類(lèi)似的方式，可以管理帶內命令代碼。其他顯著(zhù)特性包括 7 位動(dòng)態(tài)尋址，僅適用于 I3C 設備（仍保留傳統 I2C 接口的靜態(tài)尋址）、多主操作以及對總線(xiàn)上“熱插拔”設備的支持（熱連接功能） . I3C 接口還支持低功耗操作并顯著(zhù)提高傳輸數據速率，

I3C：技術(shù)概述

從電氣的角度來(lái)看，I3C 接口與 I2C 標準有一些相似之處（例如只有兩條線(xiàn)，SDA 和 SCL），但也有一些顯著(zhù)差異。首先，數據信號 (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），允許從設備控制總線(xiàn)并發(fā)送中斷。時(shí)鐘信號 (SCL) 可以切換到推挽配置，這允許主設備生成基本頻率為 12.5 MHz 的時(shí)鐘信號。更準確地說(shuō)，I3C 具有四種數據傳輸模式：SDR 模式下的 12.5 Mbps（默認）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，可實(shí)現的實(shí)際比特率分別為 11.1、20、23.5 和 33.3 Mbps。

在左側的圖 2 中，我們看到了 I3C（在其不同操作模式下）與傳統 I2C 接口的功耗 (mJ/Mb) 之間的比較。藍色條形圖表示 3.3V 總線(xiàn)電源電壓，而紅色條形圖表示 1.8V 電源電壓。在圖 2 的右側，比較了分別使用 I3C 和 I2C 可獲得的原始比特率。對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 I2C 更節能，并且支持超過(guò) 33 Mbps 的有效傳輸速度。

圖 2：I3C 和 I2C 在功率吸收和數據速率方面的比較

帶內中斷

由于 IBI 功能，I3C 標準克服了傳統 I2C 接口的一個(gè)經(jīng)典限制，即從節點(diǎn)無(wú)法在總線(xiàn)上自發(fā)地發(fā)起自己的事務(wù)。為此，傳統 I2C 和 SPI 接口都需要專(zhuān)用線(xiàn)路，從而增加了成本和布線(xiàn)復雜性。另一方面，如果總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)，帶內功能允許每個(gè) I3C 從設備在它們認為必要時(shí)啟動(dòng) START 事務(wù)。為此，如果總線(xiàn)可用，從節點(diǎn)將 SDA 線(xiàn)拉低并等待當前主節點(diǎn)將 SCL 線(xiàn)拉低，完成 START 階段。通過(guò)在 SCL 線(xiàn)上向從機提供時(shí)鐘信號，主機允許后者用自己的地址驅動(dòng) SDA 線(xiàn)。如果多個(gè)從設備同時(shí)嘗試訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，仲裁電路會(huì )為地址最低的從設備分配優(yōu)先級。此時(shí)，master 有三個(gè)選項可用：

接受slave的請求，發(fā)送ACK并獲取slave發(fā)送的數據字節。

拒絕來(lái)自從設備的請求，但不禁用中斷（被動(dòng) NACK）。一旦總線(xiàn)可用，從站現在可以重試操作。

通過(guò)禁用中斷并發(fā)送 NACK 來(lái)拒絕來(lái)自從設備的請求。

從設備使用帶內中斷機制將事件或狀態(tài)變化通知主設備。通過(guò)這種機制自發(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(zhù)變化時(shí)（例如，想想檢測下降運動(dòng)的加速度計），而不需要與傳統 I2C 和 SPI 接口一樣的專(zhuān)用中斷線(xiàn)。

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(xiàn)。在現代基于傳感器的應用中，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)），并且僅在數據采集和傳輸的特定時(shí)期才連接到總線(xiàn)，與傳統的“永遠在線(xiàn)”解決方案。熱連接請求只能由尚未分配動(dòng)態(tài)地址的從站執行。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(xiàn)功能，它允許從節點(diǎn)變?yōu)榉腔顒?dòng)狀態(tài)，然后在稍后恢復正常操作。有兩種離線(xiàn)模式：

從機完全不活動(dòng)（相當于斷電），只有在發(fā)生某些外部事件時(shí)才恢復活動(dòng)；當這種情況發(fā)生時(shí)，從設備熱加入總線(xiàn)以獲得一個(gè)新的動(dòng)態(tài)地址。

從設備部分處于非活動(dòng)狀態(tài)，從某種意義上說(shuō)，它繼續監視總線(xiàn)以檢查是否向它發(fā)送了命令，例如從設備復位，根據這些命令，從設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)，即主機用來(lái)與連接到總線(xiàn)（廣播）的所有從機或特定從機進(jìn)行通信的命令。CCC 命令包括標準操作，例如啟用/禁用事件、處理特定 I3C 總線(xiàn)功能（例如，動(dòng)態(tài)尋址和時(shí)序控制）或其他總線(xiàn)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)擴展。

圖 3：動(dòng)態(tài)地址分配 ENTDAA CCC 總線(xiàn)模式

主控請求

此功能允許輔助主機在他們打算獲取活動(dòng)主機角色時(shí)發(fā)送主機身份請求 (MR)。如果當前船長(cháng)接受該請求，則將船長(cháng)從后者轉移到次要船長(cháng)。

通訊方式

I3C接口為用戶(hù)提供了多種通信方式，可分為以下幾類(lèi)：

單數據速率 (SDR) 是與傳統 I2C 接口的消息交換兼容的模式，并提供高達 12.5 .MHz 的數據速率

高數據速率 (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 引腳用作雙向數據信號。第二個(gè)引腳在 SDR 和 HDR-DDR 模式下用作時(shí)鐘信號（SCL）或在 HDR-TSL 和 HDR-TSP 協(xié)議通信模式下用作雙向數據信號。

SDR 模式支持不同類(lèi)型的消息，例如標準 I2C 消息、廣播消息和 CCC 消息，這些消息允許主設備與總線(xiàn)上的所有設備通信并處理從設備轉發(fā)的請求（例如，帶內中斷或請求假設主人的角色）。有兩種主要的 HDR 模式：HDR-DDR（雙倍數據速率）和 HDR-TSL/TSP（三進(jìn)制符號），它們提供高于 33 Mbps 的比特率，并且比快速模式（400 kHz）下的標準 I2C 的吸收更低）。HDR-DDR 可用于與 MIPI I3C 從設備通信，允許傳統 I2C 設備連接在同一總線(xiàn)上，這將忽略高速 MIPI I3C HDR 廣播。HDR-DDR 模式使用 SCL 信號作為時(shí)鐘，SCL 兩側的數據位同步。另一方面，HDR-TSL/TSP 模式允許三進(jìn)制符號編碼（即，三位數基本代碼）用于 I3C (TSP) 和 I2C-legacy inclusive (TSL) MIPI 系統。HDR-TSL 同時(shí)使用 SCL 和 SDA 作為數據線(xiàn)，其中每個(gè)周期至少必須經(jīng)過(guò)一條線(xiàn)。轉換索引用于將二進(jìn)制符號的傳輸編碼為三進(jìn)制，以實(shí)現以非常低的功率進(jìn)行高速傳輸。

圖 4：進(jìn)入 HDR 模式 CCC 總線(xiàn)模式

與 I2C（和 SPI）的主要區別

由于使用推挽（而不是開(kāi)漏）和強上拉信號，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)使用更高的數據速率（結合深度睡眠模式）、IBI 以及從設備禁用所有內部時(shí)鐘同時(shí)仍然在 I3C 總線(xiàn)上正常運行的能力來(lái)進(jìn)一步節省功耗。在傳統 I2C 中，時(shí)鐘延長(cháng)（從機將時(shí)鐘保持在低電平，阻止其運行）通常會(huì )導致嚴重的問(wèn)題，包括總線(xiàn)卡住。這不會(huì )發(fā)生在 I3C 總線(xiàn)上，因為只有主機可以驅動(dòng)時(shí)鐘，而從機在 SDA 上執行與該時(shí)鐘相關(guān)的所有操作，從而消除了掛起的風(fēng)險。還應該注意的是，I3C 規范的下一個(gè)修訂版將包括從復位功能來(lái)復位無(wú)響應的 I3C 從器件。I3C旨在解決這個(gè)問(wèn)題，