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【產業動態】三招提升電路板串列匯流排通訊效率與成本:MIPI I3C 來幫你搞定!

在電子產業近年來經歷顯著演進後,傳統的通訊方式無法提供足夠的速度與效率的需求,MIPI I3C 介面填補了這一空白,滿足對於更高速、更有效率的低功耗和低線數通訊系統的需求。


I3C 與 I3C Basic 功能比較表 Rev 3(資料來源:MIPI Alliance)
I3C 與 I3C Basic 功能比較表 Rev 3(資料來源:MIPI Alliance)

MIPI I3C 及其子集I3C Basic℠ 為感測器節點提供了無與倫比的優勢,相對於傳統的串列通訊協定,特別是在行動裝置、物聯網(IoT)和汽車應用中,這些協定主要是指 Inter-Integrated Circuit(I2C) 和 Serial Peripheral Interface(SPI)。


由於 MIPI I3C 和 I3C Basic 分別於 2016 年和 2018 年發布,I3C 工作小組和 I3C Basic 臨時工作小組已經使 I3C 演進並添加了更多功能(請參見上方的功能比較圖),使其與其他選項相比更加強大和靈活,MIPI I3C 還將多個供應商之間的介面設計進行標準化,減少了設計的複雜性,目前大多數使用 I2C 和 SPI 的混合電路板通訊系統,可以輕鬆採用 I3C,以獲得在速度、功耗和成本方面的差異化優勢。


I3C 與 I2C 之間的差異


讓我們看看這兩種協定之間的差異,I3C 是由 MIPI 聯盟所建立,主要在於解決 I2C 的許多限制,因此這兩種協定確實存在許多不同之處,下表簡單的針對這兩種協定進行比較:


表格 1:I2C 與 I3C 之間的比較突顯了這兩種通訊協定之間的差異。(資料來源:Texas Instruments)
表格 1:I2C 與 I3C 之間的比較突顯了這兩種通訊協定之間的差異。(資料來源:Texas Instruments)

儘管I3C相對於I2C具有許多差異和優勢,但MIPI聯盟特別著重於使I3C與I2C向後相容,這表示兩種協定的控制器和目標可以在同一條匯流排上共存,使用I2C和I3C的混合設定。


I3C for Speed I3C 速度


I3C 不僅提供高速通訊和高頻寬,同時對硬體的要求較低;性能方面,相較於I2C通訊,I3C表現出色,提高了10倍甚至更多;雖然SPI通訊在多點匯流排上可達到10 MHz,在點對點設定中可以達到更大的幅度;然而,I3C提供了使用12.5 Mbps基本時脈的方法,提供每秒11 Mbps的標準資料速率,在I3C Basic模式下更可達到25 Mbps,在I3C的高資料速率模式下更可達到33 Mbps。


兩線I3C介面還提供了資料的多通道設定選項,這使得在需要時能夠進一步增加資料速率以實現更大的傳輸量;多通道選項的重點在於提供與雙通道和四通道SPI相似的配置,同時還帶來了I3C的附加功能,這種配置方式使用12.5 MHz的基本時脈,使得目標裝置無需提高基本時脈速度即可實現更高的資料傳輸量,這為功耗和電磁干擾(EMI)方面帶來了優勢。


I3C模式的原始和有效單通道比特速率 (bit rates) 與I2C FM+ (1 MHz) 相比。(資料來源:MIPI Alliance)
I3C模式的原始和有效單通道比特速率 (bit rates) 與I2C FM+ (1 MHz) 相比。(資料來源:MIPI Alliance)

I3C的另一項功能是帶內中斷(IBI),這提供了將目標事件傳遞給控制器的速度和效率。這些請求可以附帶有效負載,用於識別由目標產生的中斷類型和相關資料。


I3C 功耗


MIPI I3C 提供了內建的命令和功能,協助系統設計師制定功耗預算,並將串列界面的標準電壓範圍擴展至1.2V:


  • 訊號在降低每位元能量方面發揮著重要作用,更多的通訊會產生更高的功耗,特別是在使用開漏(open-drain)通訊時,當匯流排上的訊號為低時會消耗功率,這是由於通過上拉電阻的電流流動;然而,推挽(push-pull)通訊僅在(IO)驅動器切換過渡時消耗功率;在I3C中,僅在少數情況下使用開漏模式通訊,例如地址仲裁或確認位元,而資料傳輸則使用推挽模式;透過策略性地利用這兩種類型,I3C實現了更低的功耗和更快的資料通訊,同時保留了靈活性(仲裁)和可靠性(資料確認)。

  • I3C協定中的 "進入活動狀態" 指令,結合其對 "熱啟動 (Hot-Join)" 和 "離線 (Offline)" 模式的支援,使匯流排或系統的部分在不需要通訊時能夠進入省電狀態。

  • 透過啟用/禁用目標驅動事件中斷,可以暫停目標驅動事件,並最小化匯流排上的通訊,從而實現節能。

  • 更快的資料傳輸速率和傳輸量,允許以突發模式發送資料,將通訊保持在短時間的活動窗口內;在不用於通訊時,匯流排和連接的裝置保持閒置並處於低功耗狀態。

  • I3C的共同命令代碼(CCCs)和群組定址是I3C的特點,透過向所有裝置發送單一的廣播或組播訊息,它將多個通訊減少到獨立地針對每個裝置,這樣的方式減少通訊可以帶來更低的功耗和匯流排更多的閒置時間。


對比 I2C FM+(1 MHz),I3C 模式在有效單通道上消耗 1 KB 資料的能量(μJ)(資料來源:MIPI Alliance)
對比 I2C FM+(1 MHz),I3C 模式在有效單通道上消耗 1 KB 資料的能量(μJ)(資料來源:MIPI Alliance)

I3C 成本


使用串列匯流排的成本可以從不同的角度進行評估,評估的重點將聚焦於匯流排大小和任務優化以實現更好的排程。


通常,中斷是由一條中斷線處理的,通常每個連接在匯流排上的裝置都需要一條專用的中斷線,這一要求增加了印刷電路板(PCB)上用於路由中斷的區域,以及每個中斷所需的額外通用輸入/輸出(GPIO)引腳的數量;I3C 作為真正的雙線介面,允許中斷和復位線在這兩條線上實現,這樣做可以減少額外的 GPIO 成本和 PCB 線路,最小化匯流排的數量,實現系統的緊密設計。


時間約束也對成本產生影響,這取決於單一匯流排上可以支援的裝置數量。但這個因素通常在系統規劃的最後被考慮,這是錯誤的方法。


與每個裝置通訊所需的時間隨著裝置數量的增加而增加,這將影響時間約束;在某一時刻,將另一個裝置添加到匯流排可能不再是可行的選擇,因為這會增加整體的通訊時間和中斷處理的複雜性,使得系統難以在預定的時間內處理所有裝置的通訊需求;如果無法在時間預算內執行裝置的管理,則系統設計師將被迫減少匯流排上的裝置,並添加另一個匯流排來處理已移除的裝置,這將增加系統中裝置管理的區域和成本。


這可以透過減少每個裝置所需的平均時間來解決,在 I3C 中,中斷這個指令透過帶內中斷IBIs來實現,當目標裝置有需要向控制器報告事件時,它可以使用 SDA 線發送中斷 (IBIs) 請求;同時,由於 I3C 使用動態位址分配,每個目標裝置都有獨特的動態位址,這樣控制器可以識別是哪個裝置發起的中斷,這種方式使得多個裝置可以在匯流排上協作,共享通訊資源,而不需要額外的專用中斷線,從而降低了系統的複雜性和成本。


在被識別後,目標發送一個強制資料字元(MDB),這有助於控制器以正確的方式處理中斷,強制資料字元(MDB)用於以兩種方式處理中斷:


  • 發送由目標從保留值集中選擇的強制資料字元(MDB):當目標裝置發送強制資料字節(MDB)時,它可以從預定的值集中進行選擇,這些預定的值代表不同的中斷類型,並且在中斷發生時,目標可以選擇適合該中斷的特定值,這樣的中斷可以攜帶額外的資料,而不需要額外的讀取操作。

  • 當目標裝置發送特定 MDB 值,指示為「Pending Read Notification(PRN)」時,這種情況表明目標有資料待發送;PRN 的作用僅在通知控制器目標裝置已準備好發送資料,而不是立即提供詳細的中斷訊息,控制器將決定何時最適合讀取與該中斷相關的資料。


最佳的電路板通訊解決方案


在 MIPI I3C 中,大多數這些通訊都已嵌入協定並進行了優化,但是為了從匯流排上識別不同裝置的事件,IBI 需要進行一些通訊;在這些情境中,透過利用裝置短通訊資料的檢索,可以更有效地在同一匯流排上定位更多的裝置,這些優化的目的是為了減少處理中斷所需的時間,同時允許更多的裝置存在於匯流排上。


I3C 的另一個優點是幫助優先處理任務,I3C 是一種具有內建系統的通訊協定,允許透過使用來自裝置動態位址的中斷進行優先處理,這種優先處理是基於 IBI 仲裁機制來實現,而無需等待正常通訊週期結束,有助於減少整理事件所需的處理時間。


對每個裝置進行詢問,以輪詢中斷方式所花費的時間和能量,使得匯流排在裝置數量增加時無法使用;其他協定所需的額外線路也使匯流排的設計變得複雜且昂貴。


MIPI I3C 以其提供的速度、功耗、和成本的獨特組合,成為電子系統不同子系統之間低成本、優化通訊協定的理想解決方案,欲深入了解更多訊息,請參考 MIPI I3C/I3C Basic 規範頁面。


延伸閱讀


Binho率先推出I3C 基礎通訊協定分析儀,支援最新 MIPI I3C Basic V1.1.1 版本,達 2.5MHz 單資料速率模式 (SDR Mode)、直接及廣播通用命令代碼 (CCC) 的解碼,以及In-Band 帶內中斷與 Hotjoin 熱啓動要求,為韌體開發與嵌入式系統測試的解決方案;讓您將笨重的 silicon 驗證裝置留在實驗室裡,同時為您省下大筆預算。


Supernova 為 Binho USB 封包產生器系列的新成員 - 為全方位解決方案,支援 I3C、I2C 和 SPI 協定的控制器和周邊 (peripheral) 模式,以及 UART 和 GPIO 功能;搭配Binho原廠自行開發的 Binho Mission Control (BMC) 跨平台的應用程式 (包含 Windows, Linux, macOS),支援與 Supernova 封包產生器連接互動,或使用 Python/C++ SDK,Supernova 大幅簡化了嵌入式系統開發和測試。


關於 MIPI Alliance

MIPI Alliance(MIPI)是為行動和行動應用關聯性 (mobile-influenced) 的產業開發介面規範的組織,每一款現代智慧手機都至少使用了一項MIPI規範;MIPI聯盟成立於2003年,即將迎來其20週年慶典,該組織擁有超過375家全球會員公司和15個活躍的工作小組,致力於為廣大的行動生態系統提供規範;組織的成員包括:手機製造商、裝置原始設計製造商(OEM)、軟體供應商、半導體公司、應用處理器開發商、IP工具供應商、汽車製造商和Tier 1供應商、測試儀器商,以及相機、平板電腦和筆記型電腦製造商等;欲了解更多資訊,請至 www.mipi.org

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