MIPI I3C的基本原理及其應用概述

I2C和SPI不足之處

I2C不足之處

從設備無法主動向主設備發(fā)起通訊

降低吞吐量和上拉電阻限制了時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行較大的數(shù)據(jù)通訊

沒有明確的定義標準

隨著移動設備對于傳感器數(shù)量的增加以及對性能的提高，I2C和SPI逐漸達到瓶頸，而I3C可以在同一根主線上支持更多的傳感器設備，而且不會因為要支持中斷或睡眠模式而增加額外的邏輯信號。

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） 是一種可擴展的中速串行控制總線接口，用于將外圍設備連接到應用處理器，簡化集成并提高成本效率，適用于廣泛的設備互連應用，包括傳感器和存儲器接口，為移動產(chǎn)品（從智能手機、可穿戴設備到汽車系統(tǒng)）提供創(chuàng)新設計。

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

I3C v1.0 提供了集成機械、運動、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建該功能到短距離的主機處理器和系統(tǒng)可管理性。

MIPI I3C技術在標準CMOS I/O上實現(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，有助于在設備中集成更多傳感器，為設計人員提供更低的復雜性和更大的靈活性。它還可以用作邊帶接口，以進一步減少引腳數(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，與以前的選項相比，在性能和能效方面實現(xiàn)了大幅飛躍。

最新版本提供額外總線通道的可擴展使用，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）和一根推挽式時鐘線（SCL），該SDA線上的從設備可以控制數(shù)據(jù)總線，并且可以啟動中斷。

主控通過該SCL線可以將總線的時鐘頻率調節(jié)到12.5MHZ。

I3C支持多種類型設備，包括Main Master(當前主設備)，secondary master（輔助主設備）、I3C Slave、I2C Slave。

圖1

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

I3C提供了四種數(shù)據(jù)傳輸模式，在時鐘速率達到12.5MHz時，默認的SDR模式下數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到12.5Mbps，在HDR模式下可以達到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糾錯機制進行保護；

I3C允許從設備啟動帶內(nèi)中斷，這對于I2C和SPI設備來說都需要一根額外的信號線才能實現(xiàn)。當總線處于空閑狀態(tài)時，從設備可以通過中斷機制發(fā)送一個"START"信號，然后主設備會為從設備提供一個時鐘信號，從設備可以通過主設備提供的分配地址將設備驅動到總線上來啟動中斷。

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

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

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

I3C允許從設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關閉，直到需要喚醒的時候才激活喚醒。熱連接應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（動態(tài)尋址、定時控制等）等標準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)送給所有設備）或者可以指向總線上的特定設備。在使用傳感器時功耗和性能是必須考慮的，因為即使主程序處理器處于空閑狀態(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

將 I2C 和 SPI 的關鍵功能整合到先進的綜合規(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)；

支持多主設備，同時向后兼容 I2C；

其他技術亮點包括多控制器支持、動態(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

將外圍設備連接到任何移動設備中的應用處理器

傳感器管理功能，簡化設備中多個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

MIPI CCI over I3C 提供更快、更低延遲和更高效的相機控制

支持多種新應用

內(nèi)存邊帶信道

“Always-on”imaging

服務器系統(tǒng)管理

調試應用程序通信

觸摸屏命令和通信

傳感器設備命令、控制和數(shù)據(jù)傳輸

功耗管理

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

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處理器的能耗。

I3C應用場景

適合低成本、現(xiàn)成標準化總線解決方案，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備、傳感器和應用生態(tài)系統(tǒng)。

隨著時間的推移，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域取代傳統(tǒng)的I2C，SPI，UART等接口。

審核編輯：劉清