摘要

對(duì)于諸多應(yīng)用，如移動(dòng)電話、汽車、工業(yè)控制、以電池為動(dòng)力的移動(dòng)設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)等，在傳感器連接方面采用了I2C串行通信協(xié)議，原因在于其簡(jiǎn)單的兩線接口體系結(jié)構(gòu)。雖然也存在其他傳感器接口，如串行外圍接口（SPI）以及通用異步收發(fā)器（UART），但I(xiàn)2C的使用更為常見，原因在于其實(shí)施簡(jiǎn)單，引線數(shù)低。

然而，隨著采用的傳感器變多，在很多情形下，一臺(tái)裝置中有可能含有12個(gè)或更多的傳感器，系統(tǒng)集成變得更加困難，這是因?yàn)椴婚g斷工作組件的低功耗和高性能要求。路由選擇變得日漸困難，必須要支持一些可穿戴應(yīng)用要求的最大數(shù)據(jù)率。標(biāo)準(zhǔn)I2C接口采用2線結(jié)構(gòu)，可創(chuàng)建多種應(yīng)用，這類應(yīng)用需要額外的邊帶信號(hào)，來(lái)滿足高優(yōu)先級(jí)中斷需求，這類信號(hào)為非標(biāo)準(zhǔn)性的且與具體實(shí)施相關(guān)。在圖1中，給出了一個(gè)I2C體系結(jié)構(gòu)示例。

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圖1：基于I2C的傳感器系統(tǒng)示例（MIPI 聯(lián)盟）

MIPI?聯(lián)盟正致力于開發(fā)名為I3C（或SenseWire）的新標(biāo)準(zhǔn)，它吸納了I2C和SPI的關(guān)鍵特性，并將其統(tǒng)一起來(lái)。使用全面的低引線數(shù)、可擴(kuò)展性、以及體系結(jié)構(gòu)的支持性，MIPI I3C增強(qiáng)了每一方式的容量和性能。它支持移動(dòng)設(shè)備、移動(dòng)影響以及嵌入系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)計(jì)近期將需要的傳感器接口結(jié)構(gòu)。在本文中，介紹了MIPI I3C規(guī)范，以及從I2C無(wú)縫連接I3C的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)。

介紹

MIPI I3C規(guī)范的一項(xiàng)關(guān)鍵目標(biāo)是，以I2C生態(tài)系統(tǒng)和概念為基礎(chǔ)建立，同時(shí)保留2線串行接口結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人能夠在單個(gè)設(shè)備中連接大量傳感器，同時(shí)將功耗最小化，并降低部件和實(shí)施成本。與此同時(shí)，通過(guò)利用單條I3C總線，制造商能夠?qū)?lái)自不同供應(yīng)商的多種傳感器結(jié)合在一起，提供新的功能，同時(shí)支持更長(zhǎng)的電池壽命和更為經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。在圖2中，給出了一個(gè)基于I3C的傳感器系統(tǒng)示例。

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圖2：使用單條I3C總線的基于I3C的傳感器系統(tǒng)示例（MIPI聯(lián)盟）

MIPI I3C規(guī)范具有與I2C的反向兼容型，允許傳統(tǒng)的I2C從設(shè)備在相同接口上與支持MIPI I3C規(guī)范的新設(shè)備共存。MIPI I3C規(guī)范在2線接口上允許帶內(nèi)中斷，這樣就能大幅度降低設(shè)備的引線數(shù)和信號(hào)路徑，并能在設(shè)備中集成額外的傳感器。與I2C相比，MIPI I3C提供了更高的數(shù)據(jù)吞吐率，同時(shí)還能保持較低的邏輯復(fù)雜度，采用標(biāo)準(zhǔn)的I/O，提供更具適應(yīng)性的總線拓?fù)洌沟孟騃3C的轉(zhuǎn)移成為一項(xiàng)頗有吸引力的選擇。

I3C總線
I3C包含2線總線：串行數(shù)據(jù)（SDA）對(duì)應(yīng)與雙向串行數(shù)據(jù)；串行時(shí)鐘（SCL）對(duì)應(yīng)于特定的串行時(shí)鐘，可用于時(shí)鐘引線，或是特定高數(shù)據(jù)速率（HDR）下的數(shù)據(jù)引線。I3C總線支持不同類型消息的混合，如I2C類單數(shù)據(jù)速率（SDR）消息，它采用12.5 MHz速率的SCL時(shí)鐘，以及能夠?qū)崿F(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的HDR消息。另外，還支持向主設(shè)備發(fā)出的帶內(nèi)從觸發(fā)中斷請(qǐng)求，其中可以包含申請(qǐng)主設(shè)備功能的請(qǐng)求。在規(guī)范中，還給出了關(guān)于I3C從設(shè)備之間對(duì)等通信的規(guī)定。

I3C數(shù)據(jù)率
I3C總線支持的數(shù)據(jù)率取決于總線模式或總線上的設(shè)備類型，以及其性能。僅連接有I3C設(shè)備的總線稱為純I3C總線。純I3C總線支持從8.8 Mbps到26.7 Mbps的速率。典型情況下，純I3C總線中的SCL時(shí)鐘頻率為12.5 MHz。對(duì)于同時(shí)連接了I2C和I3C設(shè)備的總線，I3C主設(shè)備能夠在快速模式下（FM）和快速模式+（FM+）速率下與I2C從設(shè)備進(jìn)行通信，速率分別為400 Kbps或1 Mbps。在這類混合模式總線中，I3C主設(shè)備仍能在相同總線上以高至20.5 Mbps的較高速率與I3C從設(shè)備進(jìn)行通信。換句話講，當(dāng)將I2C設(shè)備與I3C總線相連時(shí)，總線的最高工作速率會(huì)降至20.5 Mbps，而不是26.7 Mbps。

正如所見到的那樣，純I3C總線支持具有較高性能的HDR和雙數(shù)據(jù)速率模式，與已有選項(xiàng)相比，能顯著改善性能和能耗效率。I3C還支持多個(gè)主設(shè)備，動(dòng)態(tài)尋址，命令碼兼容，以及高級(jí)功耗管理的統(tǒng)一方法，如睡眠模式等。在表1中，給出了I3C系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)速率。

表1：I3C系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)速率
**如果I2C從設(shè)備和I3C設(shè)備共存，則適用

數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在以“START”字段開始的幀內(nèi)，隨后跟著的是目標(biāo)從設(shè)備地址、數(shù)據(jù)，最后是“STOP”字段。要想進(jìn)入HDR模式，需向所有從設(shè)備發(fā)送專門的廣播地址數(shù)據(jù)頭，隨后跟著的是高數(shù)據(jù)速率模式讀/寫命令和數(shù)據(jù)。高數(shù)據(jù)速率模式采用退出模式協(xié)議來(lái)結(jié)束。使用“START”后的數(shù)據(jù)頭，可實(shí)現(xiàn)總線仲裁特性。命令碼稱為公用命令碼（CCC），用于管理設(shè)備，并進(jìn)入高數(shù)據(jù)速率模式。在任何時(shí)候，I3C僅允許一個(gè)主設(shè)備控制I3C總線。在規(guī)范中，給出了從一個(gè)設(shè)備切換至另一設(shè)備的主設(shè)備功能切換機(jī)制。

I3C總線配置和設(shè)備作用
I3C總線包含5種不同的設(shè)備特性：

一級(jí)主設(shè)備：用于控制I3C總線和功能；包括總線所有權(quán)控制以及切換至二級(jí)主設(shè)備。

二級(jí)主設(shè)備：獲取對(duì)I3C總線的臨時(shí)控制；需要來(lái)自一級(jí)主設(shè)備的許可；完成控制任務(wù)后，將控制交回到一級(jí)主設(shè)備。

從設(shè)備：這類設(shè)備的行為相當(dāng)于I3C主設(shè)備的從設(shè)備，與來(lái)自主設(shè)備的公用命令或單獨(dú)命令對(duì)應(yīng)。

對(duì)等從設(shè)備：能夠直接寫入到另一從設(shè)備或從另一從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的設(shè)備，無(wú)需與主設(shè)備的交互。

I2C從設(shè)備：I3C總線中的傳統(tǒng)I2C設(shè)備；I3C主設(shè)備能夠有條件地與這類傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行通訊；對(duì)速度和容量存在限制。

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圖3：I3C系統(tǒng)中的總線設(shè)備

在MIPI I3C規(guī)范中，定義了適用于每一類型設(shè)備的不同特性，如管理SDA仲裁，動(dòng)態(tài)地址分配，熱接入特性，HDR主設(shè)備和從設(shè)備性能。

管理SDA仲裁：當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行傳輸時(shí)，就需要用到仲裁，來(lái)解決總線的所有權(quán)問(wèn)題。在仲裁過(guò)程中，I3C采用了SDA線，以及漏極開路方法。典型情況下，主設(shè)備負(fù)責(zé)SDA仲裁管理。

動(dòng)態(tài)地址分配：對(duì)于與I3C總線相連的每一設(shè)備，均需要用于后續(xù)事務(wù)的獨(dú)特地址。該地址由I3C一級(jí)主設(shè)備分配，在總線的初始化過(guò)程中分配，或是當(dāng)新設(shè)備連接至現(xiàn)有已配置I3C總線時(shí)分配。該過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)地址分配。

熱接入特性：對(duì)于將在I3C首次加電時(shí)激活的所有從設(shè)備，并不需要該特性。這種特性出現(xiàn)在兩種情形：1）在隨后將部分從設(shè)備實(shí)際連接到總線中，或是這類設(shè)備已存在，但尚未激活；2）在總線處于活動(dòng)狀態(tài)后的一段時(shí)間后為這類設(shè)備加電。在總線中激活這類從設(shè)備的過(guò)程稱為熱接入。使用熱接入特性，當(dāng)從設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，主設(shè)備能夠?qū)?dòng)態(tài)地址賦予從設(shè)備。

HDR主設(shè)備和從設(shè)備性能：主設(shè)備和從設(shè)備均支持高數(shù)據(jù)速率，如MIPI I3C規(guī)范中定義的16.84 Mbps和更高的速率，稱為HDR主設(shè)備/從設(shè)備性能。

I3C使用案例示例
圖像傳感器
目前，很多系統(tǒng)采納了流行的MIPI攝像機(jī)串行接口（CSI-2）協(xié)議，用于連接多種圖像傳感器，基于I2C協(xié)議的旁帶控制通道用于攝像機(jī)控制接口（CCI）。按照預(yù)期，對(duì)于與SOC的連接，將采用I3C。采用這一新的配置，能夠減少引線數(shù)，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)實(shí)施，如圖4所示。

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圖4：將I3C和MIPI CSI-2協(xié)議用于攝像機(jī)控制接口

圖像傳感器能夠利用I3C較高的性能來(lái)進(jìn)行控制信息通信，并傳輸實(shí)際圖像數(shù)據(jù)。這類使用與具體情形有關(guān)，按照預(yù)期，這類使用對(duì)于始終工作的圖像感知應(yīng)用來(lái)說(shuō)十分有用，在所述應(yīng)用中，需要低帶寬像素分辨率。很可能的情況是，我們會(huì)見到支持I3C的圖像傳感器，其中，僅將其用作像素通信的數(shù)據(jù)路徑。

傳感器子系統(tǒng)
在圖5中，顯示了SOC總線子系統(tǒng)中的I3C主設(shè)備。IP子系統(tǒng)中的模型十分類似于在當(dāng)前設(shè)計(jì)中使用I2C主設(shè)備的方式，能夠以最小風(fēng)險(xiǎn)方便地遷移至I3C總線。

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圖5：基于AMBA的I3C子系統(tǒng)

典型情況下，這類子系統(tǒng)基于ARM? AMBA?總線系統(tǒng)，其中，I3C主設(shè)備與CPU相連。性能不同的多個(gè)傳感器設(shè)備與I3C總線相連，I3C總線工作在不同模式和速度下。這類傳感器的典型示例包括移動(dòng)設(shè)備中的觸摸板傳感器，陀螺儀和攝像機(jī)接口，它們?nèi)疾捎肐3C總線與SOC中的CPU進(jìn)行通信。

傳感器中樞
圖6顯示了一個(gè)使用I3C傳感器中樞的應(yīng)用示例。在該情形下，I3C總線具有二級(jí)主設(shè)備，它與一級(jí)主設(shè)備分離，一級(jí)主設(shè)備與多個(gè)傳感器相連。當(dāng)作為I3C中樞工作時(shí)，二級(jí)主設(shè)備會(huì)獲得I3C總線的所有權(quán)，并與傳感器直接通信。一旦二級(jí)主設(shè)備在其I3C中線中獲得相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)，它會(huì)與一級(jí)主裝置進(jìn)行通信，一級(jí)主設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送至CPU。

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圖6：I3C傳感器中樞使用案例示例

總結(jié)

MIPI I3C規(guī)范結(jié)合了I2C和串行外圍接口（SPI）的多種特性，提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和可擴(kuò)展接口，能夠?qū)⒍鄠€(gè)傳感器與SoC相連。它提供了低的引線數(shù)和低功耗解決方案，可為集成了大量傳感器的系統(tǒng)提供所需的吞吐率，從而降低成本。對(duì)于多種應(yīng)用，如基于使用攝像記錄控制接口（CCI）的MIPI CSI-2協(xié)議的圖像傳感器，已開始采用I3C來(lái)替代早先的I2C總線。

MIPI傳感器工作小組由眾多主要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和ASIC供應(yīng)商組成，它們協(xié)同工作，致力于確定I3C規(guī)范，更為重要的是，從一開始，很多如Synopsys一樣的領(lǐng)先IP供應(yīng)商就參與到MIPI傳感器工作小組，負(fù)責(zé)提供輸入和規(guī)范知識(shí)，簡(jiǎn)化了實(shí)施和向后兼容。

結(jié)合以生態(tài)系統(tǒng)，Synopsys實(shí)現(xiàn)了多種概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)，可對(duì)規(guī)范中的多種假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，有助于統(tǒng)一和可擴(kuò)展的接口。這樣，可確保與其他解決方案的互操作性，有助于建立健康的生態(tài)系統(tǒng)。此外，使用Synopsys的DesignWare? MIPI I3C Controller IP，設(shè)計(jì)人員還能縮短開發(fā)周期，降低總的擁有成本，并將風(fēng)險(xiǎn)從傳統(tǒng)的I2C遷移至I3C。