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來(lái)源：Digikey 作者：Art Pini 用于集成電路 (IC) 間通信的板載串行接口由內部集成電路 (I²C) 和串行外設接口 (SPI) 主導，兩者自 20 世紀 80 年代起就已問(wèn)世。這些接口廣泛用于將低速傳感器和 IC 連接到微控制器單元 (MCU)，以實(shí)現板內短距離通信。然而，隨著(zhù)數字系統的速度越來(lái)越快，這些接口已成為限制因素，I²C 的典型數據速率僅為 1 Mbit/s，而 SPI 也不過(guò) 10 Mbit/s。其他限制因素，包括專(zhuān)用中斷或芯片使能線(xiàn)路，需要額外的信號連接，這就增加了線(xiàn)數以及總線(xiàn)連接的復雜性。 改進(jìn)型內部集成電路 (I3C) 總線(xiàn)旨在對 IC 間通信進(jìn)行升級。該總線(xiàn)具有更高的數據速率、更大的靈活性，以及真正的雙線(xiàn)接口，支持帶內中斷 (IBI) 而非外部中斷。 本文討論了 I3C 接口的特征，以及為什么說(shuō)它是 I²C 和 SPI 串行接口的理想升級品。我們將使用典型的 MCU、IC 開(kāi)關(guān)和傳感器設備來(lái)展示其應用。 嵌入式通信總線(xiàn) 多年來(lái)，I²C 和 SPI 等嵌入式串行互連器件一直被用于板內通信。這些器件主要用作傳感器和用戶(hù)界面設備及其控制處理器之間的通信總線(xiàn)。典型系統中的傳感器數量不斷增加，在手機中已達到 10 到 20 個(gè)，在汽車(chē)中則更多。與此同時(shí)，隨著(zhù)對更高速度、更低功耗和更少導線(xiàn)的需求不斷上升，對設計人員而言，通信要求也變得更具挑戰性。設計人員必須滿(mǎn)足這些要求，同時(shí)通過(guò)中斷和使能線(xiàn)保持處理器控制（圖 1）。 
圖 1：嵌入式通信應支持更高速度、更低功耗和最少線(xiàn)數。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors） 現行技術(shù)使用兩線(xiàn)制 I²C 或四線(xiàn)制 SPI 接口實(shí)現傳感器和用戶(hù)控制設備接口。中斷、使能和其他控制線(xiàn)路與時(shí)鐘和數據線(xiàn)路分開(kāi)，因此每個(gè)接口有更多線(xiàn)路。 設計人員需要一種更具前瞻性的接口方法，這種方法可以消除互連器件中的這些額外導線(xiàn)，僅使用時(shí)鐘和數據線(xiàn)路在帶內處理這些操作。此外，總線(xiàn)應具有更高的運行速度，以及更低的功率損耗。 I3C 接口 為了滿(mǎn)足這些要求，移動(dòng)行業(yè)處理器接口 (MIPI) 聯(lián)盟開(kāi)發(fā)了 I3C。該接口面向 MIPI 會(huì )員提供 MIPI I3C，面向非會(huì )員提供功能簡(jiǎn)化版 MIPI I3C Basic。與傳統的 I²C 和 SPI 接口一樣，這種改進(jìn)型也是串行接口，采用兩線(xiàn)制，盡可能減少了引腳數以及元器件之間的信號路徑數量。其數據速率高達 12.5 Mbits/s，采用單倍數據速率 (SDR) 模式，時(shí)鐘頻率為 12.5 MHz。該接口運行功率水平較低，采用簡(jiǎn)單而靈活的設計架構。 值得注意的是，I3C 標準保留了與 I²C 系統有限的向后兼容性，可讓現有 I²C 設備連接到 I3C 總線(xiàn)，同時(shí)仍允許總線(xiàn)在符合 I3C 標準的設備之間進(jìn)行通信時(shí)切換到更高的數據速率。系統配置的比較見(jiàn)圖 2。
圖 2：通過(guò)對 I3C、I²C 和 SPI 接口的基本配置進(jìn)行比較，可以看出 I3C 的速度更快，布線(xiàn)更簡(jiǎn)單。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors） 四線(xiàn)制 SPI 接口運行速度更快，并支持全雙工通信。I²C 通過(guò)由時(shí)鐘 (SCL) 和數據 (SDA) 線(xiàn)路組成的雙線(xiàn)制總線(xiàn)進(jìn)行半雙工通信。兩者都需要額外的線(xiàn)路來(lái)支持中斷和其他控制功能（如片選）。I3C 將接口中使用的線(xiàn)數減少至兩條，消除了 I²C 和 SPI 中單獨使用的中斷、使能和片選線(xiàn)路。對于需要 10 到 20 個(gè)傳感器與處理器相連且每個(gè)傳感器都有數條輔助線(xiàn)的系統來(lái)說(shuō)，減少線(xiàn)數是一大優(yōu)勢。中斷和其他控制線(xiàn)路被 IBI 取代。在這種方法中，目標傳感器或設備會(huì )將其地址輸入 I3C 總線(xiàn)地址標頭，以通知處理器發(fā)生中斷。 I²C 和 I3C 的時(shí)鐘速率相差甚大。I²C 的時(shí)鐘速率一般為 100 kHz、400 kHz 或 1 MHz，而 I3C 的時(shí)鐘速率可達 12.5 MHz。以前，SPI 用于時(shí)鐘速率高于 1 MHz 的應用。設計時(shí)需要在時(shí)鐘速率與線(xiàn)數之間進(jìn)行選擇。I3C 采用真正的雙線(xiàn)制拓撲結構，具有更高的時(shí)鐘和數據速率，從而改變了這一現狀。 推挽輸出的開(kāi)關(guān)速度比開(kāi)漏或集電極驅動(dòng)器更快，是 I3C 提高時(shí)鐘速率的重要因素。為了保持與 I²C 設備的兼容性，I3C 可根據總線(xiàn)狀態(tài)在開(kāi)漏和推挽驅動(dòng)器之間切換。開(kāi)漏或集電極設計在初始尋址或仲裁期間使用，此時(shí)線(xiàn)路上可同時(shí)存在 I²C 和 I3C 設備。在進(jìn)行單向通信時(shí)，I3C 采用推挽方式，不會(huì )出現 I²C 設備同時(shí)通信的情況。 除標準 SDR 外，I3C 還支持多種可選的高數據速率 (HDR) 模式。這些 HDR 模式以相同的時(shí)鐘速率運行，但傳輸的數據密度更高。第一種 HDR 模式是 HDR 雙倍數據速率 (HDR-DDR)，數據在時(shí)鐘信號的兩個(gè)邊沿進(jìn)行傳輸，速率是原來(lái)的近兩倍。對于 12.5 MHz 時(shí)鐘，DDR 模式可實(shí)現 20 Mbits/s 的有效數據速率。 HDR 三元符號有兩個(gè)版本：HDR 純總線(xiàn)三元符號 (HDR-TSP) 僅適用于 I3C 設備，而 HDR 傳統三元符號 (HDR-TSL) 則適用于包括 I²C 和 I3C 器件在內的總線(xiàn)。三元符號模式通過(guò)在 SCL 和 SDA 線(xiàn)路上編碼三位（三元）符號來(lái)實(shí)現每個(gè)時(shí)鐘三個(gè)數據位。 HDR 批量傳輸 (HDR-BT) 模式支持通過(guò)四路、雙路或單路 SDA 數據線(xiàn)路進(jìn)行通信，從而提供最高數據速率。因此，在相同的時(shí)鐘速率下，這是原始單倍數據速率性能的 8 倍、4 倍或 2 倍。 數據傳輸速度的提高使設備的啟動(dòng)時(shí)間更短，從而降低了總線(xiàn)功率占空比。這與 I²C 相比降低了功耗（圖 3）。從帶有外部上拉電阻器的開(kāi)集驅動(dòng)器轉變?yōu)橥仆祢寗?dòng)器進(jìn)一步降低了功耗，因為上拉電阻器需要很大的功率才能運行。
圖 3：與 I²C 相比，I3C 在數據速率和功耗方面均有改進(jìn)。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors） 尋址 I²C 對每個(gè)總線(xiàn)設備使用 7 位或 10 位長(cháng)度的靜態(tài)地址。這在 I3C 中已更改為 7 位動(dòng)態(tài)尋址，即總線(xiàn)主設備在動(dòng)態(tài)地址分配 (DAA) 時(shí)設置設備地址，并將其存儲在設備寄存器中。在 I3C 中仍可像在 I²C 外設中一樣使用靜態(tài)尋址。 由于采用動(dòng)態(tài)尋址，設備地址可在以后更改。這支持熱連接，允許在總線(xiàn)運行時(shí)添加新設備。連接到 I3C 總線(xiàn)的新設備通過(guò)發(fā)送熱連接請求向 I3C 主設備發(fā)出其存在的信號。主控制器確認請求并分配一個(gè)地址，以將設備添加到總線(xiàn)上。 IBI I3C 是真正的雙線(xiàn)制總線(xiàn)，使用 IBI 而不是 I²C 那樣的專(zhuān)用中斷線(xiàn)路。IBI 是指目標設備通過(guò)拉低 SDA 線(xiàn)路向主設備發(fā)出可用性信號的情況。然后，主設備會(huì )啟動(dòng) SCL 線(xiàn)路上的時(shí)鐘，目標設備將其地址傳輸到 I3C 總線(xiàn)上，以通知控制器發(fā)生中斷。 常用命令代碼 常用命令代碼 (CCC) 是標準化命令，控制器可將其作為一般廣播同時(shí)發(fā)送給所有 I3C 設備或特定目標設備。這些命令用于與總線(xiàn)管理有關(guān)的項目。CCC 協(xié)議的格式以 I3C 廣播地址開(kāi)始，總線(xiàn)上的所有 I3C 設備都能識別該地址�？偩�(xiàn)上的任何 I²C 設備都不會(huì )確認該請求，因為這是一個(gè)保留的 I²C 地址。 每條命令都包括一個(gè) 8 位描述符 ID 字段，后面還可能有一個(gè)命令有效載荷。向特定設備發(fā)送的命令會(huì )在有效載荷的第一個(gè)字節中傳遞設備地址。有四十多個(gè) CCC 命令，包括： · 輸入動(dòng)態(tài)地址分配 (ENTDAA) · 設置新動(dòng)態(tài)地址分配 (SETNEWDA) · 啟用事件 (ENEC)/禁用事件 (DISEC) · 復位動(dòng)態(tài)地址分配 (RSTDAA) · 輸入高數據速率模式 (ENTHDRx) · 獲取設備特征寄存器 (GETDCR) 供應商可以使用一系列專(zhuān)用的 CCC ID 來(lái)執行自己的命令。 錯誤檢測和恢復 與 I²C 不同，I3C 包含錯誤檢測和恢復功能。對于目標設備，有六種強制性錯誤和恢復方法，還有一種可選方法。此外，還有專(zhuān)門(mén)針對主設備端錯誤的其他錯誤和恢復方法。 支持 I3C 的元器件 如圖 2（左）所示，基本的 I3C 網(wǎng)絡(luò )至少包括一個(gè)主控制器和一個(gè)或多個(gè) I3C 目標設備或從設備。主設備可以是 MCU，例如 NXP Semiconductors 的 LPC5534JHI48-00MP（圖 4）。該器件是一款 32 位 Arm® Cortex®-M33 MCU，具有 128 KB SRAM 和 256 KB 閃存。其 Flexcomm 接口支持八個(gè)不同的串行接口，包括 I3C。
圖 4：LPC5534JHI48/00MP MCU 包括一個(gè) I3C 接口和其他七個(gè)串行接口。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductor） I3C 總線(xiàn)允許添加作為從設備引入總線(xiàn)的輔助主設備。I3C 可以有多個(gè)主設備，但只能有一個(gè)是控制器。一旦注冊，輔助主設備即可請求獲取當前主設備狀態(tài)，如果當前主設備同意，其控制權將移交給提出請求的輔助主設備。 NXP 的 P3T2030CUKAZ 就是一種典型的 I3C 傳感器。該溫度傳感器可將 -40°C 至 +125°C 的溫度轉換為 12 位數值，精度為 ±2°C。該器件包括一個(gè) I²C 和一個(gè) I3C SDR 模式串行接口。 TDK InvenSense 的 ICM-42605 三軸微機電系統 (MEMS) 陀螺儀和加速計是更為復雜的傳感器。作為速率陀螺儀，該器件可測量 ±15.2 至 ±2000 °/s 的旋轉速率。而作為加速計，其量程為 ±2 至 ±15 g。該器件可檢測運動(dòng)、傾斜、輕擊或步數（計步器）。作為 I3C 傳感器，其在 SDR 模式下的工作頻率為 12.5 MHz，在 DDR 模式下為 25 MHz。 諸如 NXP P3S0200GMX I3C 開(kāi)關(guān)之類(lèi)的 IC 可在 I3C 控制器和多組目標設備之間，或在由外部 MCU 確定的單個(gè)目標設備和多個(gè) I3C 控制器之間路由 I3C 總線(xiàn)信號，從而重新配置 I3C 總線(xiàn)（圖 5）。
圖 5：P3S0200GMX I3C 開(kāi)關(guān)可用于在 I3C 控制器和多組目標設備之間，或在單個(gè)目標設備和多個(gè) I3C 控制器之間路由 I3C 總線(xiàn)信號，從而重新配置 I3C 總線(xiàn)。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors） 如果兩個(gè)目標具有相同的地址，且不能位于同一總線(xiàn)上，則可能需要在兩個(gè)目標之間進(jìn)行切換。另外，兩個(gè)進(jìn)程可能須共享一個(gè)目標，這需要在兩個(gè) I3C 控制器之間進(jìn)行切換。 結語(yǔ) I3C 是一種串行接口，通過(guò)提高數據速率、減少線(xiàn)數和增加總線(xiàn)控制的靈活性來(lái)擴展 I²C 總線(xiàn)。這種增強版總線(xiàn)可擴展傳統 I²C 和 SPI 接口的實(shí)用性。 |
