1 應(yīng)用簡報(bào)

I²C 和 SPI 長期以來一直是嵌入式器件的主要接口選擇。雖然這些接口實(shí)現(xiàn)起來相對簡單并且多年來已被廣泛采用，但它們都缺乏某些重要特性，并存在局限性。在深度嵌入式應(yīng)用中尤其如此，因此會(huì)顯著影響緊湊型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在 I²C 中，這些局限性包括有一個(gè) 7 位固定地址可能導(dǎo)致 I²C 總線上發(fā)生沖突、無帶內(nèi)中斷或目標(biāo)復(fù)位（需要額外的導(dǎo)線/引腳）、受限的數(shù)據(jù)速率，以及目標(biāo)能夠拉伸時(shí)鐘（可能在長時(shí)間連接的會(huì)話中掛起系統(tǒng)）。在 SPI 中，一些主要局限性包括每個(gè)器件有一個(gè)芯片選擇引腳但需要四條通信線路，以及由于缺少明確定義的標(biāo)準(zhǔn)而存在許多不同的實(shí)現(xiàn)方式。

隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備、汽車系統(tǒng)以及服務(wù)器環(huán)境變得越來越先進(jìn)和復(fù)雜，需要更精簡、高性能、可擴(kuò)展和具有成本效益的通信接口來控制和高速傳輸數(shù)據(jù)，并需要節(jié)能和節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。

I3C（改進(jìn)的內(nèi)部集成電路）旨在突破傳統(tǒng)接口（I²C 和 SPI）的局限性并添加其他增強(qiáng)功能。由 MIPI 聯(lián)盟制定的 I3C 規(guī)范 [1] 是一種智能的多功能接口，根據(jù)傳統(tǒng) I²C 和 SPI 接口的關(guān)鍵屬性進(jìn)行了改進(jìn)，旨在提供新的、統(tǒng)一的、高性能的解決方案。I3C 是一種使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) I/O 實(shí)現(xiàn)的串行通信接口，使用兩線制接口來更大限度地減少引腳數(shù)量以及元件之間的信號路徑數(shù)量。此接口支持在極低的功率級別下使用更高帶寬的工作模式，并有助于實(shí)現(xiàn)更簡單、更靈活的設(shè)計(jì)。I3C 標(biāo)準(zhǔn)旨在一定程度保留與 I2C 系統(tǒng)的向后兼容性，尤其是在設(shè)計(jì)中允許將現(xiàn)有的 I2C 器件連接到 I3C 總線，但仍支持切換到更高的數(shù)據(jù)速率，從而在兼容的 I3C 器件之間以更高的速度進(jìn)行通信。

圖 1-1 將各種 MIPI I3C 模式與 I2C 進(jìn)行能耗（每位）的比較（左）以及相應(yīng)原始比特率的比較（右）[2]。

MIPI I3C 最初專為移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，作為單一接口，可用于所有數(shù)字連接的傳感器。但是，它現(xiàn)在適用于所有中速嵌入式和深度嵌入式應(yīng)用，也包括更廣泛的使用案例和行業(yè)，例如內(nèi)存管理、服務(wù)器控制以及企業(yè)、工廠自動(dòng)化和通信設(shè)備。圖 1-2 匯總了 I3C 接口的主要特性。

突出 I3C 主要特性的一些終端設(shè)備應(yīng)用包括：

• 典型的智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能具有 I2C 和 SPI 器件的組合，其中有四條線路用于 SPI，有兩條線路用于 I2C，另外每個(gè)外設(shè)還各有一條中斷線路。更多的器件意味著需要更多的邏輯線路并增加總體功耗。I3C 的帶內(nèi)中斷 功能可提供低成本喚醒機(jī)制，在這種機(jī)制下，I3C 目標(biāo)可以在總線空閑時(shí)請求中斷；該設(shè)計(jì)無需為每個(gè)目標(biāo)單獨(dú)使用通用輸入/輸出 (GPIO)，從而降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。I3C 還引入了動(dòng)態(tài)尋址 功能，這一功能在更改目標(biāo)器件的優(yōu)先級以便增加或減少該器件發(fā)出的帶內(nèi)中斷時(shí)非常重要。
• 在大多數(shù) PC/主板應(yīng)用中，I3C 器件用于可能存在多個(gè)控制器、大量端點(diǎn)器件和較長布線（所有這些因素都會(huì)影響總線復(fù)雜性和信號完整性）的情況。I3C 的多控制器和多點(diǎn) 功能具有明確的控制器間切換協(xié)議，使總線上的器件能夠請求擔(dān)任控制器角色。因此，總線架構(gòu)不限于單個(gè)固定控制器器件和多個(gè)目標(biāo)器件。
• 在 I3C 中，目標(biāo)被允許加入已配置的總線，并由 I3C 控制器分配一個(gè)動(dòng)態(tài)地址。憑借 I3C 中的這種熱加入 功能，可以在運(yùn)行期間開啟和關(guān)閉總線上的某些器件，從而實(shí)現(xiàn)“分段式供電”設(shè)計(jì)，僅在需要時(shí)才使相關(guān)單元保持活動(dòng)狀態(tài)。在一些應(yīng)用中，如果不希望或不可能讓系統(tǒng)斷電（例如在服務(wù)器或無線基站中），或必須正確設(shè)計(jì)熱插拔功能（在背板或外部卡中），此特性將非常重要。
• DDR5 同樣采用了 MIPI I3C 作為核心技術(shù)之一。DDR5 通過使用 MIPI I3C 而不是 I2C，可以改善內(nèi)存帶寬，從而實(shí)現(xiàn)下一代高性能系統(tǒng)和應(yīng)用，包括客戶端系統(tǒng)和高性能服務(wù)器。I3C 提供典型值為 10Mbps 的數(shù)據(jù)速率，并可通過更高性能的高數(shù)據(jù)速率 (HDR) 模式選項(xiàng)提供超過 30Mbps（單通道模式）和 100Mbps（四通道模式）的速度。

MIPI I3C 總線接口是一種不斷發(fā)展的規(guī)范，可顯著提高傳統(tǒng)接口的速度和靈活性，從而簡化各種產(chǎn)品（如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車系統(tǒng)和服務(wù)器環(huán)境）的創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)。隨著該協(xié)議的發(fā)展勢頭越來越強(qiáng)，遷移到 I3C 接口將使器件能夠通過更好的系統(tǒng)管理和配置實(shí)現(xiàn)更高的性能。這使得 I3C 成為企業(yè)和計(jì)算、PC 和筆記本電腦以及汽車和許多其他應(yīng)用的主流技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

1. MIPI Alliance Specification for I3C? (Improved Inter Integrated Circuit), version 1.1.1, MIPI Alliance, Inc., 11 June 2021.
2. MIPI Alliance “Introduction to the MIPI I3C Standardized Sensor Interface”, August 2016