MIPI I3C的基本原理及其應(yīng)用概述

I2C和SPI不足之處

I2C不足之處

從設(shè)備無法主動(dòng)向主設(shè)備發(fā)起通訊

降低吞吐量和上拉電阻限制了時(shí)鐘速率且使得功耗偏高

SPI不足之處

需要四根通訊線路來進(jìn)行較大的數(shù)據(jù)通訊

沒有明確的定義標(biāo)準(zhǔn)

隨著移動(dòng)設(shè)備對于傳感器數(shù)量的增加以及對性能的提高，I2C和SPI逐漸達(dá)到瓶頸，而I3C可以在同一根主線上支持更多的傳感器設(shè)備，而且不會(huì)因?yàn)橐С种袛嗷蛩吣Ｊ蕉黾宇~外的邏輯信號。

并且I3C可以在更低功耗的情況下提供更快的傳輸速率。

MIPI I3C概述

MIPI I3C （MIPI Alliance Improved Inter Integrated Circuit） 是一種可擴(kuò)展的中速串行控制總線接口，用于將外圍設(shè)備連接到應(yīng)用處理器，簡化集成并提高成本效率，適用于廣泛的設(shè)備互連應(yīng)用，包括傳感器和存儲(chǔ)器接口，為移動(dòng)產(chǎn)品（從智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備到汽車系統(tǒng)）提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

MIPI I3C 結(jié)合了傳統(tǒng)I2C和SPI接口的關(guān)鍵屬性，以提供統(tǒng)一的、高性能、極低功耗的解決方案。

I3C v1.0 提供了集成機(jī)械、運(yùn)動(dòng)、生物識別、環(huán)境和任何其他類型傳感器的新功能；

MIPI I3C v1.1（現(xiàn)為 v1.1.1）通過添加外圍命令、控制和通信的新功能來構(gòu)建該功能到短距離的主機(jī)處理器和系統(tǒng)可管理性。

MIPI I3C技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)CMOS I/O上實(shí)現(xiàn)。它使用兩線接口，與4線SPI相比，可減少引腳數(shù)和信號路徑，有助于在設(shè)備中集成更多傳感器，為設(shè)計(jì)人員提供更低的復(fù)雜性和更大的靈活性。它還可以用作邊帶接口，以進(jìn)一步減少引腳數(shù)。

MIPI I3C 支持 10Mbps的最低數(shù)據(jù)速率，并提供更高性能的高數(shù)據(jù)速率模式選項(xiàng)，與以前的選項(xiàng)相比，在性能和能效方面實(shí)現(xiàn)了大幅飛躍。

最新版本提供額外總線通道的可擴(kuò)展使用，以提高接口速度；

支持帶內(nèi)中斷（IBI），使存在于2線MIPI I3C總線上的設(shè)備能夠發(fā)出中斷，無需使用額外的I / O引腳信號。（I2C和SPI接口通常需要額外的邏輯信號來實(shí)現(xiàn)中斷功能）；

MIPI I3C基本原理

I3C接口使用的跟I2C類似，也是一根漏級數(shù)據(jù)線（SDA）和一根推挽式時(shí)鐘線（SCL），該SDA線上的從設(shè)備可以控制數(shù)據(jù)總線，并且可以啟動(dòng)中斷。

主控通過該SCL線可以將總線的時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)到12.5MHZ。

I3C支持多種類型設(shè)備，包括Main Master(當(dāng)前主設(shè)備)，secondary master（輔助主設(shè)備）、I3C Slave、I2C Slave。

圖1

主設(shè)備可以動(dòng)態(tài)為I3C分配7-bit地址，同時(shí)也支持為傳統(tǒng)I2C設(shè)備靜態(tài)的分配地址。這樣就使得I3C兼容I2C。而且相比I2C功耗降低了一個(gè)等級，但是傳輸速率提升了一個(gè)數(shù)量級。

I3C提供了四種數(shù)據(jù)傳輸模式，在時(shí)鐘速率達(dá)到12.5MHz時(shí)，默認(rèn)的SDR模式下數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到12.5Mbps，在HDR模式下可以達(dá)到25/27.5/39.5Mbps。除去控制字節(jié)，可有效提供 11.1、20、23.5 和 33.3 Mbps 的數(shù)據(jù)比特率；

圖2 I3C 與 I2C能耗和數(shù)據(jù)速率對比

上圖左側(cè)顯示了不同 I3C 模式下給定數(shù)據(jù)量與 I2C 相比的能耗（單位為毫焦每兆比特），而右側(cè)是數(shù)據(jù)吞吐量。兩者都顯示出 I3C 的顯著優(yōu)勢。

圖3 I3C在不同模式下消耗的能量對比

從上圖來看，I3C的HDR_TSP模式的功耗最低，從圖2右側(cè)可以看出HDR_TSP模式的數(shù)據(jù)速率最快，能夠支持超過33Mbps的有效數(shù)據(jù)比特率。

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中有I3C糾錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行保護(hù)；

I3C允許從設(shè)備啟動(dòng)帶內(nèi)中斷，這對于I2C和SPI設(shè)備來說都需要一根額外的信號線才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，從設(shè)備可以通過中斷機(jī)制發(fā)送一個(gè)"START"信號，然后主設(shè)備會(huì)為從設(shè)備提供一個(gè)時(shí)鐘信號，從設(shè)備可以通過主設(shè)備提供的分配地址將設(shè)備驅(qū)動(dòng)到總線上來啟動(dòng)中斷。

如果此時(shí)有多個(gè)從設(shè)備嘗試啟動(dòng)中斷，則地址最小的從設(shè)備獲得此次仲裁。同時(shí)主設(shè)備發(fā)出ACK信號響應(yīng)此次中斷并重新啟動(dòng)總線或者繼續(xù)從從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，也可以發(fā)出NACK信號來結(jié)束通信。

例如：I2C和SPI的缺陷是無法主動(dòng)的與主設(shè)備進(jìn)行通訊，如果傳感器需要反饋數(shù)據(jù)，需要額外添加一個(gè)中斷管腳，隨著移動(dòng)設(shè)備上傳感器數(shù)量的增加，使得GPIO數(shù)增加。

而I3C可以通過帶內(nèi)中斷，使從設(shè)備可以主動(dòng)發(fā)起中斷進(jìn)行通訊，大大減小了對GPIO中斷的依賴；

I3C允許從設(shè)備在總線配置完成之后再連接到總線上，即熱接入特性。連接在同一總線上的傳感器可以暫時(shí)關(guān)閉，直到需要喚醒的時(shí)候才激活喚醒。熱連接應(yīng)遵守特定的電氣限制，不得干擾MIPI I3C線路。

已為啟用和禁用事件、管理MIPI I3C特定功能（動(dòng)態(tài)尋址、定時(shí)控制等）等標(biāo)準(zhǔn)操作定義了一組通用命令代碼（CCCs）。

該通用命令代碼可以發(fā)送廣播（發(fā)送給所有設(shè)備）或者可以指向總線上的特定設(shè)備。在使用傳感器時(shí)功耗和性能是必須考慮的，因?yàn)榧词怪鞒绦蛱幚砥魈幱诳臻e狀態(tài)（低功耗模式或者深度睡眠），Always-on 傳感器 和 傳感器 hubs也會(huì)不斷的累積數(shù)據(jù)，累積的傳感器數(shù)據(jù)通常是有規(guī)律的，需要在傳感器、傳感器 hub和應(yīng)用處理器之間定期快速傳輸，從而最大限度地降低功耗。

主要亮點(diǎn)

將 I2C 和 SPI 的關(guān)鍵功能整合到先進(jìn)的綜合規(guī)范中；

減少引腳數(shù)和信號路徑，兩條通訊線路（SCL和SDA）；

高性能；

低功耗；

低電磁干擾 (EMI)；

支持多主設(shè)備，同時(shí)向后兼容 I2C；

其他技術(shù)亮點(diǎn)包括多控制器支持、動(dòng)態(tài)尋址、命令代碼兼容性以及用于高級電源管理功能（如睡眠模式）的統(tǒng)一方法。

用例

將外圍設(shè)備連接到任何移動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用處理器

傳感器管理功能，簡化設(shè)備中多個(gè)傳感器的連接和管理

MIPI Touch over I3C 為已處理和原始觸摸數(shù)據(jù)提供融合接口選項(xiàng)

MIPI CCI over I3C 提供更快、更低延遲和更高效的相機(jī)控制

支持多種新應(yīng)用

內(nèi)存邊帶信道

“Always-on”imaging

服務(wù)器系統(tǒng)管理

調(diào)試應(yīng)用程序通信

觸摸屏命令和通信

傳感器設(shè)備命令、控制和數(shù)據(jù)傳輸

功耗管理

它提供同步和異步時(shí)間戳，可以有效的把握外設(shè)傳感器通訊的準(zhǔn)確性和先后時(shí)間，以提高使用來自各種傳感器的信號的應(yīng)用程序的準(zhǔn)確性。

它還可以快速批處理和傳輸數(shù)據(jù)，以最大限度地減少主機(jī)處理器的能耗。

I3C應(yīng)用場景

適合低成本、現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)化總線解決方案，該解決方案具有小型電路板 (PCB) 占位面積以及定義明確且易于使用的外圍設(shè)備、傳感器和應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)。

隨著時(shí)間的推移，I3C有可能在觸摸、低分辨率camera、音效、環(huán)境傳感器和變頻器等領(lǐng)域取代傳統(tǒng)的I2C，SPI，UART等接口。

審核編輯：劉清