I3C，下一代传感器的高性能(néng)接口

2021-06-09

I3C，下一代传感器的高性能(néng)接口

子传感器市场不断扩大，同比增長(cháng)率达到两位数。推动这一增長(cháng)的主要因素是物(wù)联网设备、移动设备（智能(néng)手机和平板電(diàn)脑）和可(kě)穿戴设备中引入的大量传感器。由于采用(yòng)了传感器融合技术，前所未有(yǒu)的应用(yòng)场景现在成為(wèi)可(kě)能(néng)，通过该技术将从多(duō)个传感器获取的信息组合以获得单个传感器无法获得的高级聚合信息。最常用(yòng)于与这些传感器进行通信和控制的接口是内部集成電(diàn)路 (I2C)，其规格由飞利浦半导體(tǐ)（现為(wèi) NXP）于 1982 年推出。另一种常见接口是 SPI。至于SPI，它需要四根線(xiàn)，并且有(yǒu)许多(duō)不同的实现，因為(wèi)没有(yǒu)明确定义的标准。

这种在短时间内变得非常流行的接口的主要优点是只需要两个信号（一个用(yòng)于数据，一个用(yòng)于时钟），可(kě)以在同一总線(xiàn)上连接多(duō)个设备，并且能(néng)够支持不同的传输速率。然而，I2C 接口有(yǒu)一些重要的限制，包括连接到总線(xiàn)的从设备无法发起通信，需要使用(yòng)上拉電(diàn)阻（这会导致功率吸收增加和上升时间缓慢），以及限制性能(néng)的通信协议。

当今与传感器的接口对设计人员来说是一项艰巨的挑战，请记住市场上有(yǒu)多(duō)种接口（I2C、SPI、UART 等），而拥有(yǒu)一个一致且通用(yòng)的协议（a一种通用(yòng)接口）与各种传感器进行通信。在本文(wén)中，我们将看到一个能(néng)够响应这些需求、结合 I2C 和 SPI 的优势并添加新(xīn)功能(néng)的接口如何存在：I3C 接口，其正式名称為(wèi) MIPI 联盟改进的内部集成電(diàn)路.

I3C接口的目的

在保持向后兼容性的原始 I2C 标准的基础上，由 MIPI 联盟标准化的新(xīn) I3C接口增加了改进和重要的附加功能(néng)，例如多(duō)点操作机制。这种创新(xīn)接口的主要目的是引入一个通用(yòng)标准来管理(lǐ)与不同类型传感器的通信，同时确保高性能(néng)、低功耗和减少接口引脚数量。图1展示了界面的应用(yòng)图，在其中我们可(kě)以立即看到：

只有(yǒu)两条線(xiàn)（SDA 和 SCL）的通信总線(xiàn)，与传统 I2C 完全一样

多(duō)种速度通信模式，允许高达 30.3Mbps 的数据数据

带内中断和热连接机制

在同一总線(xiàn)上连接多(duō)个主节点的可(kě)能(néng)性

能(néng)够连接 I3C 和 I2C 从设备（向后兼容）

图 1：I3C 总線(xiàn)应用(yòng)图

I3C 接口中引入的新(xīn)功能(néng)之一是，连接到总線(xiàn)的每个从设备都可(kě)以利用(yòng)用(yòng)于通信协议的相同 SDA 和 CLK 線(xiàn)生成中断信号。在这方面，我们称之為(wèi)“带内”中断 (IBI)，这意味着不需要额外的線(xiàn)路或信号，从而节省成本并简化连接。以完全类似的方式，可(kě)以管理(lǐ)带内命令代码。其他(tā)显着特性包括 7 位动态寻址，仅适用(yòng)于 I3C 设备（仍保留传统 I2C 接口的静态寻址）、多(duō)主操作以及对总線(xiàn)上“热插拔”设备的支持（热连接功能(néng)） . I3C 接口还支持低功耗操作并显着提高传输数据速率，

I3C：技术概述

从電(diàn)气的角度来看，I3C 接口与 I2C 标准有(yǒu)一些相似之处（例如只有(yǒu)两条線(xiàn)，SDA 和 SCL），但也有(yǒu)一些显着差异。首先，数据信号 (SDA) 具有(yǒu)开漏配置（例如，可(kě)以使用(yòng)集電(diàn)极开路输出来实现），允许从设备控制总線(xiàn)并发送中断。时钟信号 (SCL) 可(kě)以切换到推挽配置，这允许主设备生成基本频率為(wèi) 12.5 MHz 的时钟信号。更准确地说，I3C 具有(yǒu)四种数据传输模式：SDR 模式下的 12.5 Mbps（默认）和 HDR 模式下的 25、27.5 和 39.5 Mbps。不包括链接到每个事務(wù)的控制字节，可(kě)实现的实际比特率分(fēn)别為(wèi) 11.1、20、23.5 和 33.3 Mbps。

在左侧的图 2 中，我们看到了 I3C（在其不同操作模式下）与传统 I2C 接口的功耗 (mJ/Mb) 之间的比较。蓝色条形图表示 3.3V 总線(xiàn)電(diàn)源電(diàn)压，而红色条形图表示 1.8V 電(diàn)源電(diàn)压。在图 2 的右侧，比较了分(fēn)别使用(yòng) I3C 和 I2C 可(kě)获得的原始比特率。对这些图表的检查表明，即使在兼容的 I2C 模式下，新(xīn)的 I3C 接口如何比传统 I2C 更节能(néng)，并且支持超过 33 Mbps 的有(yǒu)效传输速度。

图 2：I3C 和 I2C 在功率吸收和数据速率方面的比较

带内中断

由于 IBI 功能(néng)，I3C 标准克服了传统 I2C 接口的一个经典限制，即从节点无法在总線(xiàn)上自发地发起自己的事務(wù)。為(wèi)此，传统 I2C 和 SPI 接口都需要专用(yòng)線(xiàn)路，从而增加了成本和布線(xiàn)复杂性。另一方面，如果总線(xiàn)处于空闲状态，带内功能(néng)允许每个 I3C 从设备在它们认為(wèi)必要时启动 START 事務(wù)。為(wèi)此，如果总線(xiàn)可(kě)用(yòng)，从节点将 SDA 線(xiàn)拉低并等待当前主节点将 SCL 線(xiàn)拉低，完成 START 阶段。通过在 SCL 線(xiàn)上向从机提供时钟信号，主机允许后者用(yòng)自己的地址驱动 SDA 線(xiàn)。如果多(duō)个从设备同时尝试访问总線(xiàn)，仲裁電(diàn)路会為(wèi)地址最低的从设备分(fēn)配优先级。此时，master 有(yǒu)三个选项可(kě)用(yòng)：

接受slave的请求，发送ACK并获取slave发送的数据字节。

拒绝来自从设备的请求，但不禁用(yòng)中断（被动 NACK）。一旦总線(xiàn)可(kě)用(yòng)，从站现在可(kě)以重试操作。

通过禁用(yòng)中断并发送 NACK 来拒绝来自从设备的请求。

从设备使用(yòng)带内中断机制将事件或状态变化通知主设备。通过这种机制自发发送信息的可(kě)能(néng)性允许 I3C 传感器仅在这些物(wù)理(lǐ)量发生显着变化时（例如，想想检测下降运动的加速度计），而不需要与传统 I2C 和 SPI 接口一样的专用(yòng)中断線(xiàn)。

热连接功能(néng)

此功能(néng)允许 I3C 传感器在正确配置后连接到总線(xiàn)。在现代基于传感器的应用(yòng)中，例如与物(wù)联网相关的多(duō)种场景，不仅要确保高性能(néng)，还要确保高效运行，从而最大限度地降低传感器（主要由電(diàn)池供電(diàn)）的功耗。由于具有(yǒu)热连接功能(néng)，传感器可(kě)以在不需要时保持关闭（或处于低功耗状态），并且仅在数据采集和传输的特定时期才连接到总線(xiàn)，与传统的“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”解决方案。热连接请求只能(néng)由尚未分(fēn)配动态地址的从站执行。為(wèi)此，从站使用(yòng)為(wèi)此功能(néng)保留的物(wù)理(lǐ)地址；

同样重要的是离線(xiàn)功能(néng)，它允许从节点变為(wèi)非活动状态，然后在稍后恢复正常操作。有(yǒu)两种离線(xiàn)模式：

从机完全不活动（相当于断電(diàn)），只有(yǒu)在发生某些外部事件时才恢复活动；当这种情况发生时，从设备热加入总線(xiàn)以获得一个新(xīn)的动态地址。

从设备部分(fēn)处于非活动状态，从某种意义上说，它继续监视总線(xiàn)以检查是否向它发送了命令，例如从设备复位，根据这些命令，从设备将唤醒并返回操作。

常用(yòng)命令代码

一个非常有(yǒu)用(yòng)的功能(néng)是通用(yòng)命令代码 (CCC)，即主机用(yòng)来与连接到总線(xiàn)（广播）的所有(yǒu)从机或特定从机进行通信的命令。CCC 命令包括标准操作，例如启用(yòng)/禁用(yòng)事件、处理(lǐ)特定 I3C 总線(xiàn)功能(néng)（例如，动态寻址和时序控制）或其他(tā)总線(xiàn)操作。所有(yǒu)与 CCC 命令相关的代码均由 MIPI 联盟定义，一些值保留用(yòng)于未来扩展。

图 3：动态地址分(fēn)配 ENTDAA CCC 总線(xiàn)模式

主控请求

此功能(néng)允许辅助主机在他(tā)们打算获取活动主机角色时发送主机身份请求 (MR)。如果当前船長(cháng)接受该请求，则将船長(cháng)从后者转移到次要船長(cháng)。

通讯方式

I3C接口為(wèi)用(yòng)户提供了多(duō)种通信方式，可(kě)分(fēn)為(wèi)以下几类：

单数据速率 (SDR) 是与传统 I2C 接口的消息交换兼容的模式，并提供高达 12.5 .MHz 的数据速率

高数据速率 (HDR) 包括几种与 I2C 不兼容的消息交换模式。在 SDR 和 HDR 操作模式下，SDA 引脚用(yòng)作双向数据信号。第二个引脚在 SDR 和 HDR-DDR 模式下用(yòng)作时钟信号（SCL）或在 HDR-TSL 和 HDR-TSP 协议通信模式下用(yòng)作双向数据信号。

SDR 模式支持不同类型的消息，例如标准 I2C 消息、广播消息和 CCC 消息，这些消息允许主设备与总線(xiàn)上的所有(yǒu)设备通信并处理(lǐ)从设备转发的请求（例如，带内中断或请求假设主人的角色）。有(yǒu)两种主要的 HDR 模式：HDR-DDR（双倍数据速率）和 HDR-TSL/TSP（三进制符号），它们提供高于 33 Mbps 的比特率，并且比快速模式（400 kHz）下的标准 I2C 的吸收更低）。HDR-DDR 可(kě)用(yòng)于与 MIPI I3C 从设备通信，允许传统 I2C 设备连接在同一总線(xiàn)上，这将忽略高速 MIPI I3C HDR 广播。HDR-DDR 模式使用(yòng) SCL 信号作為(wèi)时钟，SCL 两侧的数据位同步。另一方面，HDR-TSL/TSP 模式允许三进制符号编码（即，三位数基本代码）用(yòng)于 I3C (TSP) 和 I2C-legacy inclusive (TSL) MIPI 系统。HDR-TSL 同时使用(yòng) SCL 和 SDA 作為(wèi)数据線(xiàn)，其中每个周期至少必须经过一条線(xiàn)。转换索引用(yòng)于将二进制符号的传输编码為(wèi)三进制，以实现以非常低的功率进行高速传输。

图 4：进入 HDR 模式 CCC 总線(xiàn)模式

与 I2C（和 SPI）的主要區(qū)别

由于使用(yòng)推挽（而不是开漏）和强上拉信号，所有(yǒu) I3C 模式提供的每比特传输功耗低于 I2C。此外，I3C 可(kě)以通过使用(yòng)更高的数据速率（结合深度睡眠模式）、IBI 以及从设备禁用(yòng)所有(yǒu)内部时钟同时仍然在 I3C 总線(xiàn)上正常运行的能(néng)力来进一步节省功耗。在传统 I2C 中，时钟延長(cháng)（从机将时钟保持在低電(diàn)平，阻止其运行）通常会导致严重的问题，包括总線(xiàn)卡住。这不会发生在 I3C 总線(xiàn)上，因為(wèi)只有(yǒu)主机可(kě)以驱动时钟，而从机在 SDA 上执行与该时钟相关的所有(yǒu)操作，从而消除了挂起的风险。还应该注意的是，I3C 规范的下一个修订版将包括从复位功能(néng)来复位无响应的 I3C 从器件。I3C旨在解决这个问题，