利用 I3C? 提升嵌入式系統性能

Microchip Technology Inc. Stephenie Pinteric & Ulises Iniguez


在現代電子產品中，嵌入式系統變得越來越復雜，許多應用（包括 IoT、計算、可穿戴設備和安全 敏感型應用）中的嵌入式系統都包含多種傳感器和元件。為了滿足這些市場日益增長的需求，MIPI 聯盟 開發了 Improved Inter-Integrated Circuit?（I3C?）接口。I3C 是一種高級串行通信接口，兼具更快的通信速 率、更低的功耗和更高的設計靈活性，大大提升了電子元件之間的通信方式。單片機（MCU）作為嵌入 的主要組成部分，用于控制傳感器信號采集和閉環控制等應用功能。我們將深入探討可以利用帶 式系統 I3C 通信 接口的 MCU 的幾類應用，為 I2C 和 SPI 實現方案提供穩健的升級途徑和兼容性。

I3C 和 IoT 應用

物聯網（IoT）幾乎已經滲入到我們日常生活中的方方面面，從家用小工具到復雜的樓宇自動化和 可穿戴設備可謂無處不在。這些互聯的設備彼此之間收集和交換數據，從根本上塑造了我們的數字生態系 統。在物聯網設備中，不同類型的傳感器發揮著一系列關鍵作用，例如測量、監視和傳遞溫度、濕度、壓 力和距離等關鍵物理屬性。

I3C 協議為聯網傳感器節點帶來了諸多好處。它支持高速通信，在單倍數據速率（SDR）模式下的 速度最高達 12.5 MHz。它還支持帶內中斷和動態尋址。在動態尋址中，中央控制器為連接的每個器件分配 惟一的地址，以防止發生地址沖突。與其前身 I2C 相比，I3C 兼具更快的速度、更簡單的雙線接口和更高 效的協議結構，并且工作電壓更低，從而降低了功耗。這些改進使得 I3C 非常適合高效地管理互聯網絡內 的多個傳感器節點。

將內置 I3C 外設的低成本 MCU 作為模擬“聚合器”納入 IoT 傳感器節點，可以提升整個傳感器網 絡的功能和效率。在這種配置中，MCU 的片上模數轉換器（ADC）用于將來自多個模擬傳感器的讀數轉換 為數字值。 這些數字值隨后可存入 MCU 的內部存儲器以供進一步分析，或者重組結構以實現更高效的傳 輸。聚合的傳感器數據以針對系統效率優化的間隔通過 I3C 總線傳輸到主控制器。

與其他通信接口相比，I3C 需要更少的引腳和電線，能夠最大限度地降低元件復雜度、成本和功 耗，因此在基于傳感器的系統中具有顯著優勢。對于主攻高要求 IoT 市場領域的系統設計人員來說，帶 I3C 通信接口的緊湊型單片機已然成為不可或缺的解決方案，有助于成功打造符合市場要求的 IoT 設備。

嵌入式設備中的多種協議和多種電壓




隨著技術要求的日益增長，嵌入式開發人員在向后兼容性方面面臨著越來越大的挑戰。這種兼容 性至關重要，因為可以逐步更新嵌入式系統，無需完全重新設計。為了幫助簡化向 I3C 的過渡，新的通信 協議解決了 I2C 和 SMBus 的局限性，同時與 I2C 一樣仍使用兩個引腳（分別用于時鐘和數據）以保持兼容 性。

盡管 I3C 旨在向后兼容 I2C/SMBus 協議，但如果 I3C 總線上存在 I2C/SMBus 器件可能會影響總線性 能，即使針對 I3C 器件進行了控制器優化也無濟于事。為了解決這一問題，帶 I3C 模塊的 MCU 可以充當橋 接器件，將 I2C/SMBus 目標器件與“純”I3C 總線隔離。這樣可以保持 I3C 總線的完整性，同時允許主 I3C 控制器通過橋接 MCU 與 I2C/SPI 器件通信。此外，MCU 還可以整合來自 I2C/SMBus 器件的中斷，并使用帶 內中斷將其傳輸到主 I3C 控制器，而無需額外的引腳或信號。

嵌入式系統包含各種元件，例如 MCU、傳感器和其他電路。 通常，這些元件需要相互連接，但各 自位于不同的電壓域。 例如，模擬傳感器通常在 5V 電壓下工作，而 I2C 和 SMBus 等通信協議則需要 3.3V 電壓。為了滿足現代高速處理器的要求，I3C 總線甚至可以在 1V 電壓下工作。

具有多電壓 I/O（MVIO）特性的 MCU 可解決電壓不兼容問題，并且無需電平轉換器。該特性使 I3C 總線與 I2C/SMBus 總線能夠同時在不同電壓下工作。例如，MCU 可以在 1V 電壓下運行 I3C 總線，同時 將 I2C/SMBus 總線保持在更高的 3.3V 電壓，以便兼容舊款器件。

Microchip 的 PIC18-Q20 MCU 支持 MVIO，并提供 I3C、SPI、I2C 和 UART 等多種通信協議以及最多 三個獨立的工作電壓域。這種靈活性非常有助于在復雜的網絡環境中允許各個器件使用不同的協議和電 壓，方便嵌入式開發人員在保持現有協議的同時確保其設計滿足未來需求。

現代計算基礎設施

大多數人都低估了我們在日常數字生活中對數據中心的依賴程度。從開展商業和金融交易到瀏覽 互聯網、存儲數據、參與社交網絡、參加虛擬會議和享受數字娛樂——所有這些活動都依賴數據中心。數 據中心確保我們的數據安全、互聯網快速、數字服務始終可用。

數據中心的核心是現代刀鋒服務器，這是一種高度先進的計算機，旨在最大限度地提高空間效率 并大規模優化網絡性能。由于其作用至關重要，因此每個服務器機箱內的某些系統任務會被委托給邊帶控 制器處理。當主處理單元專注于管理主要數據流時，邊帶控制器會介入以增強網絡性能。邊帶控制器會建 立輔助通信通道來監督各個刀鋒服務器，并處理各項重要任務，例如監視系統健康狀況、檢測故障、發現 和配置設備、更新固件，以及在不中斷主處理器的情況下進行診斷。這樣可以確保網絡運行平穩高效。邊 帶管理是一種重要的工具，可以極大地提高數據中心的可靠性、可用性和效率。

此外，數據中心通常還使用固態硬盤（SSD）來存儲和快速訪問數據。最新的 SSD 規格（SNIA?企 業和數據中心標準規格（EDSFF））采用 I3C 協議進行邊帶通信，這是現有 SMBus 協議的自然升級。I3C 滿 足對更快性能、更高數據傳輸速率和更高電源效率的需求。利用 I3C 的高速通信，可以更快速地進行總線 管理和配置修改，從而增強系統響應能力。

PIC18-Q20 系列等靈活的 MCU 特別適合用于數據中心和企業環境中的系統管理任務。這些 MCU 最 多具有兩個獨立的 I3C 接口，可以輕松連接到 SSD 控制器以執行系統管理任務，以及通過邊帶連接與母板 管理控制器（BMC）相連。此外，這些器件還內置傳統通信協議（如 I2C/SMBus、SPI 和 UART），因此成 為當前和下一代 SSD 設計的理想解決方案。



結論

集成 I3C 協議已成為嵌入式系統的一項關鍵技術。I3C 兼具增強的通信能力、更低的功耗以及與現 有協議的兼容性，因此成為了構建下一代 IoT 和計算應用的基石。I3C 的多功能性可以優化 IoT 設備和數據 中心通信中的傳感器功能，將 I3C 集成到單片機中可以為不斷發展的電子系統領域提供堅實的基礎。隨著 技術的不斷進步，I3C 的應用變得越來越普遍，許多電子應用的性能、可靠性和效率也因此得到了提升。