利用 I3C 實(shí)現(xiàn)更快、更簡(jiǎn)單、更靈活的集成電路間通信

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

用于集成電路 (IC) 間通信的板載串行接口由內(nèi)部集成電路 (I2C) 和串行外設(shè)接口 (SPI) 主導(dǎo)，兩者自 20 世紀(jì) 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(xiàn)板內(nèi)短距離通信。然而，隨著數(shù)字系統(tǒng)的速度越來(lái)越快，這些接口已成為限制因素，I2C 的典型數(shù)據(jù)速率僅為 1 Mbit/s，而 SPI 也不過(guò) 10 Mbit/s。其他限制因素，包括專用中斷或芯片使能線路，需要額外的信號(hào)連接，這就增加了線數(shù)以及總線連接的復(fù)雜性。

改進(jìn)型內(nèi)部集成電路 (I3C) 總線旨在對(duì) IC 間通信進(jìn)行升級(jí)。該總線具有更高的數(shù)據(jù)速率、更大的靈活性，以及真正的雙線接口，支持帶內(nèi)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(jí)品。我們將使用典型的 MCU、IC 開(kāi)關(guān)和傳感器設(shè)備來(lái)展示其應(yīng)用。

嵌入式通信總線

多年來(lái)，I2C 和 SPI 等嵌入式串行互連器件一直被用于板內(nèi)通信。這些器件主要用作傳感器和用戶界面設(shè)備及其控制處理器之間的通信總線。典型系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量不斷增加，在手機(jī)中已達(dá)到 10 到 20 個(gè)，在汽車中則更多。與此同時(shí)，隨著對(duì)更高速度、更低功耗和更少導(dǎo)線的需求不斷上升，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，通信要求也變得更具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)人員必須滿足這些要求，同時(shí)通過(guò)中斷和使能線保持處理器控制（圖 1）。

圖 1：嵌入式通信應(yīng)支持更高速度、更低功耗和最少線數(shù)。（圖片來(lái)源：[NXP Semiconductors]）

現(xiàn)行技術(shù)使用兩線制 I2C 或四線制 SPI 接口實(shí)現(xiàn)傳感器和用戶控制設(shè)備接口。中斷、使能和其他控制線路與時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線路分開(kāi)，因此每個(gè)接口有更多線路。

設(shè)計(jì)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(dǎo)線，僅使用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線路在帶內(nèi)處理這些操作。此外，總線應(yīng)具有更高的運(yùn)行速度，以及更低的功率損耗。

I3C 接口

為了滿足這些要求，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(tǒng)的 I2C 和 SPI 接口一樣，這種改進(jìn)型也是串行接口，采用兩線制，盡可能減少了引腳數(shù)以及元器件之間的信號(hào)路徑數(shù)量。其數(shù)據(jù)速率高達(dá) 12.5 Mbits/s，采用單倍數(shù)據(jù)速率 (SDR) 模式，時(shí)鐘頻率為 12.5 MHz。該接口運(yùn)行功率水平較低，采用簡(jiǎn)單而靈活的設(shè)計(jì)架構(gòu)。

值得注意的是，I3C 標(biāo)準(zhǔn)保留了與 I2C 系統(tǒng)有限的向后兼容性，可讓現(xiàn)有 I2C 設(shè)備連接到 I3C 總線，同時(shí)仍允許總線在符合 I3C 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)切換到更高的數(shù)據(jù)速率。系統(tǒng)配置的比較見(jiàn)圖 2。

圖 2：通過(guò)對(duì) 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，布線更簡(jiǎn)單。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）

四線制 SPI 接口運(yùn)行速度更快，并支持全雙工通信。I2C 通過(guò)由時(shí)鐘 (SCL) 和數(shù)據(jù) (SDA) 線路組成的雙線制總線進(jìn)行半雙工通信。兩者都需要額外的線路來(lái)支持中斷和其他控制功能（如片選）。I3C 將接口中使用的線數(shù)減少至兩條，消除了 I2C 和 SPI 中單獨(dú)使用的中斷、使能和片選線路。對(duì)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(shù)條輔助線的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少線數(shù)是一大優(yōu)勢(shì)。中斷和其他控制線路被 IBI 取代。在這種方法中，目標(biāo)傳感器或設(shè)備會(huì)將其地址輸入 I3C 總線地址標(biāo)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(dá) 12.5 MHz。以前，SPI 用于時(shí)鐘速率高于 1 MHz 的應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)需要在時(shí)鐘速率與線數(shù)之間進(jìn)行選擇。I3C 采用真正的雙線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有更高的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)速率，從而改變了這一現(xiàn)狀。

推挽輸出的開(kāi)關(guān)速度比開(kāi)漏或集電極驅(qū)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(shè)備的兼容性，I3C 可根據(jù)總線狀態(tài)在開(kāi)漏和推挽驅(qū)動(dòng)器之間切換。開(kāi)漏或集電極設(shè)計(jì)在初始尋址或仲裁期間使用，此時(shí)線路上可同時(shí)存在 I2C 和 I3C 設(shè)備。在進(jìn)行單向通信時(shí)，I3C 采用推挽方式，不會(huì)出現(xiàn) I2C 設(shè)備同時(shí)通信的情況。

除標(biāo)準(zhǔn) SDR 外，I3C 還支持多種可選的高數(shù)據(jù)速率 (HDR) 模式。這些 HDR 模式以相同的時(shí)鐘速率運(yùn)行，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)密度更高。第一種 HDR 模式是 HDR 雙倍數(shù)據(jù)速率 (HDR-DDR)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)邊沿進(jìn)行傳輸，速率是原來(lái)的近兩倍。對(duì)于 12.5 MHz 時(shí)鐘，DDR 模式可實(shí)現(xiàn) 20 Mbits/s 的有效數(shù)據(jù)速率。

HDR 三元符號(hào)有兩個(gè)版本：HDR 純總線三元符號(hào) (HDR-TSP) 僅適用于 I3C 設(shè)備，而 HDR 傳統(tǒng)三元符號(hào) (HDR-TSL) 則適用于包括 I2C 和 I3C 器件在內(nèi)的總線。三元符號(hào)模式通過(guò)在 SCL 和 SDA 線路上編碼三位（三元）符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘三個(gè)數(shù)據(jù)位。

HDR 批量傳輸 (HDR-BT) 模式支持通過(guò)四路、雙路或單路 SDA 數(shù)據(jù)線路進(jìn)行通信，從而提供最高數(shù)據(jù)速率。因此，在相同的時(shí)鐘速率下，這是原始單倍數(shù)據(jù)速率性能的 8 倍、4 倍或 2 倍。

數(shù)據(jù)傳輸速度的提高使設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間更短，從而降低了總線功率占空比。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(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)變?yōu)橥仆祢?qū)動(dòng)器進(jìn)一步降低了功耗，因?yàn)樯侠?a target="_blank">電阻器需要很大的功率才能運(yùn)行。

圖 3：與 I2C 相比，I3C 在數(shù)據(jù)速率和功耗方面均有改進(jìn)。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）

尋址

I2C 對(duì)每個(gè)總線設(shè)備使用 7 位或 10 位長(zhǎng)度的靜態(tài)地址。這在 I3C 中已更改為 7 位動(dòng)態(tài)尋址，即總線主設(shè)備在動(dòng)態(tài)地址分配 (DAA) 時(shí)設(shè)置設(shè)備地址，并將其存儲(chǔ)在設(shè)備寄存器中。在 I3C 中仍可像在 I2C 外設(shè)中一樣使用靜態(tài)尋址。

由于采用動(dòng)態(tài)尋址，設(shè)備地址可在以后更改。這支持熱連接，允許在總線運(yùn)行時(shí)添加新設(shè)備。連接到 I3C 總線的新設(shè)備通過(guò)發(fā)送熱連接請(qǐng)求向 I3C 主設(shè)備發(fā)出其存在的信號(hào)。主控制器確認(rèn)請(qǐng)求并分配一個(gè)地址，以將設(shè)備添加到總線上。

IBI

I3C 是真正的雙線制總線，使用 IBI 而不是 I2C 那樣的專用中斷線路。IBI 是指目標(biāo)設(shè)備通過(guò)拉低 SDA 線路向主設(shè)備發(fā)出可用性信號(hào)的情況。然后，主設(shè)備會(huì)啟動(dòng) SCL 線路上的時(shí)鐘，目標(biāo)設(shè)備將其地址傳輸?shù)?I3C 總線上，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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備或特定目標(biāo)設(shè)備。這些命令用于與總線管理有關(guān)的項(xiàng)目。CCC 協(xié)議的格式以 I3C 廣播地址開(kāi)始，總線上的所有 I3C 設(shè)備都能識(shí)別該地址?？偩€上的任何 I2C 設(shè)備都不會(huì)確認(rèn)該請(qǐng)求，因?yàn)檫@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(shè)備發(fā)送的命令會(huì)在有效載荷的第一個(gè)字節(jié)中傳遞設(shè)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(shè)置新動(dòng)態(tài)地址分配 (SETNEWDA)
• 啟用事件 (ENEC)/禁用事件 (DISEC)
• 復(fù)位動(dòng)態(tài)地址分配 (RSTDAA)
• 輸入高數(shù)據(jù)速率模式 (ENTHDRx)
• 獲取設(shè)備特征寄存器 (GETDCR)

供應(yīng)商可以使用一系列專用的 CCC ID 來(lái)執(zhí)行自己的命令。

錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)

與 I2C 不同，I3C 包含錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)功能。對(duì)于目標(biāo)設(shè)備，有六種強(qiáng)制性錯(cuò)誤和恢復(fù)方法，還有一種可選方法。此外，還有專門針對(duì)主設(shè)備端錯(cuò)誤的其他錯(cuò)誤和恢復(fù)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(biāo)設(shè)備或從設(shè)備 。 主設(shè)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 總線允許添加作為從設(shè)備引入總線的輔助主設(shè)備。I3C 可以有多個(gè)主設(shè)備，但只能有一個(gè)是控制器。一旦注冊(cè)，輔助主設(shè)備即可請(qǐng)求獲取當(dāng)前主設(shè)備狀態(tài)，如果當(dāng)前主設(shè)備同意，其控制權(quán)將移交給提出請(qǐng)求的輔助主設(shè)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(zhuǎn)換為 12 位數(shù)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(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和加速計(jì)是更為復(fù)雜的傳感器。作為速率陀螺儀，該器件可測(cè)量 ±15.2 至 ±2000 °/s 的旋轉(zhuǎn)速率。而作為加速計(jì)，其量程為 ±2 至 ±15 g 。該器件可檢測(cè)運(yùn)動(dòng)、傾斜、輕擊或步數(shù)（計(jì)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)之類的 IC 可在 I3C 控制器和多組目標(biāo)設(shè)備之間，或在由外部 MCU 確定的單個(gè)目標(biāo)設(shè)備和多個(gè) I3C 控制器之間路由 I3C 總線信號(hào)，從而重新配置 I3C 總線（圖 5）。

圖 5：P3S0200GMX I3C 開(kāi)關(guān)可用于在 I3C 控制器和多組目標(biāo)設(shè)備之間，或在單個(gè)目標(biāo)設(shè)備和多個(gè) I3C 控制器之間路由 I3C 總線信號(hào)，從而重新配置 I3C 總線。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）

如果兩個(gè)目標(biāo)具有相同的地址，且不能位于同一總線上，則可能需要在兩個(gè)目標(biāo)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(biāo)，這需要在兩個(gè) I3C 控制器之間進(jìn)行切換。

結(jié)語(yǔ)

I3C 是一種串行接口，通過(guò)提高數(shù)據(jù)速率、減少線數(shù)和增加總線控制的靈活性來(lái)擴(kuò)展 I2C 總線。這種增強(qiáng)版總線可擴(kuò)展傳統(tǒng) I2C 和 SPI 接口的實(shí)用性。

審核編輯 黃宇