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Microchip Technology Inc. Stephenie Pinteric & Ulises Iniguez 在現代電子產(chǎn)品中，嵌入式系統變得越來(lái)越復雜，許多應用（包括 IoT、計算、可穿戴設備和安全敏感型應用）中的嵌入式系統都包含多種傳感器和元件。為了滿(mǎn)足這些市場(chǎng)日益增長(cháng)的需求，MIPI 聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了 Improved Inter-Integrated Circuit®（I3C®）接口。I3C 是一種高級串行通信接口，兼具更快的通信速率、更低的功耗和更高的設計靈活性，大大提升了電子元件之間的通信方式。單片機（MCU）作為嵌入的主要組成部分，用于控制傳感器信號采集和閉環(huán)控制等應用功能。我們將深入探討可以利用帶 式系統 I3C 通信接口的 MCU 的幾類(lèi)應用，為 I2C 和 SPI 實(shí)現方案提供穩健的升級途徑和兼容性。 I3C 和 IoT 應用 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）幾乎已經(jīng)滲入到我們日常生活中的方方面面，從家用小工具到復雜的樓宇自動(dòng)化和可穿戴設備可謂無(wú)處不在。這些互聯(lián)的設備彼此之間收集和交換數據，從根本上塑造了我們的數字生態(tài)系統。在物聯(lián)網(wǎng)設備中，不同類(lèi)型的傳感器發(fā)揮著(zhù)一系列關(guān)鍵作用，例如測量、監視和傳遞溫度、濕度、壓力和距離等關(guān)鍵物理屬性。 I3C 協(xié)議為聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)帶來(lái)了諸多好處。它支持高速通信，在單倍數據速率（SDR）模式下的速度最高達 12.5 MHz。它還支持帶內中斷和動(dòng)態(tài)尋址。在動(dòng)態(tài)尋址中，中央控制器為連接的每個(gè)器件分配惟一的地址，以防止發(fā)生地址沖突。與其前身 I2C 相比，I3C 兼具更快的速度、更簡(jiǎn)單的雙線(xiàn)接口和更高效的協(xié)議結構，并且工作電壓更低，從而降低了功耗。這些改進(jìn)使得 I3C 非常適合高效地管理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )內的多個(gè)傳感器節點(diǎn)。 將內置 I3C 外設的低成本 MCU 作為模擬“聚合器”納入 IoT 傳感器節點(diǎn)，可以提升整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )的功能和效率。在這種配置中，MCU 的片上模數轉換器（ADC）用于將來(lái)自多個(gè)模擬傳感器的讀數轉換為數字值。 這些數字值隨后可存入 MCU 的內部存儲器以供進(jìn)一步分析，或者重組結構以實(shí)現更高效的傳輸。聚合的傳感器數據以針對系統效率優(yōu)化的間隔通過(guò) I3C 總線(xiàn)傳輸到主控制器。 與其他通信接口相比，I3C 需要更少的引腳和電線(xiàn)，能夠最大限度地降低元件復雜度、成本和功耗，因此在基于傳感器的系統中具有顯著(zhù)優(yōu)勢。對于主攻高要求 IoT 市場(chǎng)領(lǐng)域的系統設計人員來(lái)說(shuō)，帶I3C 通信接口的緊湊型單片機已然成為不可或缺的解決方案，有助于成功打造符合市場(chǎng)要求的 IoT 設備。 嵌入式設備中的多種協(xié)議和多種電壓 
隨著(zhù)技術(shù)要求的日益增長(cháng)，嵌入式開(kāi)發(fā)人員在向后兼容性方面面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰。這種兼容性至關(guān)重要，因為可以逐步更新嵌入式系統，無(wú)需完全重新設計。為了幫助簡(jiǎn)化向 I3C 的過(guò)渡，新的通信協(xié)議解決了 I2C 和 SMBus 的局限性，同時(shí)與 I2C 一樣仍使用兩個(gè)引腳（分別用于時(shí)鐘和數據）以保持兼容性。 盡管 I3C 旨在向后兼容 I2C/SMBus 協(xié)議，但如果 I3C 總線(xiàn)上存在 I2C/SMBus 器件可能會(huì )影響總線(xiàn)性能，即使針對 I3C 器件進(jìn)行了控制器優(yōu)化也無(wú)濟于事。為了解決這一問(wèn)題，帶 I3C 模塊的 MCU 可以充當橋接器件，將 I2C/SMBus 目標器件與“純”I3C 總線(xiàn)隔離。這樣可以保持 I3C 總線(xiàn)的完整性，同時(shí)允許主 I3C控制器通過(guò)橋接 MCU 與 I2C/SPI 器件通信。此外，MCU 還可以整合來(lái)自 I2C/SMBus 器件的中斷，并使用帶內中斷將其傳輸到主 I3C 控制器，而無(wú)需額外的引腳或信號。 嵌入式系統包含各種元件，例如 MCU、傳感器和其他電路。 通常，這些元件需要相互連接，但各自位于不同的電壓域。 例如，模擬傳感器通常在 5V 電壓下工作，而 I2C 和 SMBus 等通信協(xié)議則需要 3.3V電壓。為了滿(mǎn)足現代高速處理器的要求，I3C 總線(xiàn)甚至可以在 1V 電壓下工作。 具有多電壓 I/O（MVIO）特性的 MCU 可解決電壓不兼容問(wèn)題，并且無(wú)需電平轉換器。該特性使I3C 總線(xiàn)與 I2C/SMBus 總線(xiàn)能夠同時(shí)在不同電壓下工作。例如，MCU 可以在 1V 電壓下運行 I3C 總線(xiàn)，同時(shí)將 I2C/SMBus 總線(xiàn)保持在更高的 3.3V 電壓，以便兼容舊款器件。 Microchip 的 PIC18-Q20 MCU 支持 MVIO，并提供 I3C、SPI、I2C 和 UART 等多種通信協(xié)議以及最多三個(gè)獨立的工作電壓域。這種靈活性非常有助于在復雜的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中允許各個(gè)器件使用不同的協(xié)議和電壓，方便嵌入式開(kāi)發(fā)人員在保持現有協(xié)議的同時(shí)確保其設計滿(mǎn)足未來(lái)需求。 現代計算基礎設施 大多數人都低估了我們在日常數字生活中對數據中心的依賴(lài)程度。從開(kāi)展商業(yè)和金融交易到瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、存儲數據、參與社交網(wǎng)絡(luò )、參加虛擬會(huì )議和享受數字娛樂(lè )——所有這些活動(dòng)都依賴(lài)數據中心。數據中心確保我們的數據安全、互聯(lián)網(wǎng)快速、數字服務(wù)始終可用。 數據中心的核心是現代刀鋒服務(wù)器，這是一種高度先進(jìn)的計算機，旨在最大限度地提高空間效率并大規模優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )性能。由于其作用至關(guān)重要，因此每個(gè)服務(wù)器機箱內的某些系統任務(wù)會(huì )被委托給邊帶控制器處理。當主處理單元專(zhuān)注于管理主要數據流時(shí)，邊帶控制器會(huì )介入以增強網(wǎng)絡(luò )性能。邊帶控制器會(huì )建立輔助通信通道來(lái)監督各個(gè)刀鋒服務(wù)器，并處理各項重要任務(wù)，例如監視系統健康狀況、檢測故障、發(fā)現和配置設備、更新固件，以及在不中斷主處理器的情況下進(jìn)行診斷。這樣可以確保網(wǎng)絡(luò )運行平穩高效。邊帶管理是一種重要的工具，可以極大地提高數據中心的可靠性、可用性和效率。 此外，數據中心通常還使用固態(tài)硬盤(pán)（SSD）來(lái)存儲和快速訪(fǎng)問(wèn)數據。最新的 SSD 規格（SNIA®企業(yè)和數據中心標準規格（EDSFF））采用 I3C 協(xié)議進(jìn)行邊帶通信，這是現有 SMBus 協(xié)議的自然升級。I3C 滿(mǎn)足對更快性能、更高數據傳輸速率和更高電源效率的需求。利用 I3C 的高速通信，可以更快速地進(jìn)行總線(xiàn)管理和配置修改，從而增強系統響應能力。 PIC18-Q20 系列等靈活的 MCU 特別適合用于數據中心和企業(yè)環(huán)境中的系統管理任務(wù)。這些 MCU 最多具有兩個(gè)獨立的 I3C 接口，可以輕松連接到 SSD 控制器以執行系統管理任務(wù)，以及通過(guò)邊帶連接與母板管理控制器（BMC）相連。此外，這些器件還內置傳統通信協(xié)議（如 I2C/SMBus、SPI 和 UART），因此成為當前和下一代 SSD 設計的理想解決方案。
結論 集成 I3C 協(xié)議已成為嵌入式系統的一項關(guān)鍵技術(shù)。I3C 兼具增強的通信能力、更低的功耗以及與現有協(xié)議的兼容性，因此成為了構建下一代 IoT 和計算應用的基石。I3C 的多功能性可以?xún)?yōu)化 IoT 設備和數據中心通信中的傳感器功能，將 I3C 集成到單片機中可以為不斷發(fā)展的電子系統領(lǐng)域提供堅實(shí)的基礎。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，I3C 的應用變得越來(lái)越普遍，許多電子應用的性能、可靠性和效率也因此得到了提升。 有關(guān)具有高級 I3C 功能的 MCU 的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn) www.microchip.com/Q20 |
