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【White Paper】MIPI I3C 和 I3C Basic 介紹

有效的電源操作和能源優化是許多物聯網市場的主要目標,MIPI 的白皮書將介紹物聯網產品架構和產品設計,如何運用一系列 MIPI I3C 功能,以實現其設計目標,以滿足這些市場需求。


此白皮書的文章架構


在對市場趨勢進行簡要概述後,首先介紹了I3C介面,然後分為幾個部分,探討I3C協定中與物聯網裝置能源效率最相關的選定技術特性:


以下是本文將對I3C以下的功能進行詳細描述:

  • I3C匯流排的電氣特性

  • 路由功能

  • 匯流排活動狀態管理

  • 帶內中斷(In-Band Interrupts abbr.IBI)

  • 熱插拔(HJ)以及裝置間隧道(D2DT)

對於每個功能,將解釋其在能源和功耗效率上的優勢,然後介紹其技術內部運作方式。


註:本白皮書僅為描述性質,不旨在取代MIPI I3C規格(I3C v1.1.1 [MIPI01]和I3C Basic v1.1.1 [MIPI02])。


物聯網傳感器介面的市場趨勢概述


物聯網(IoT)有望提升全球每位公民的生活品質,並帶動全球經濟增長;擴展的無線連接、體積更小、速度更快、且能效更高的電子元件,以及更強大的軟體技術,這些正推動著一個競爭激烈的物聯網裝置市場快速發展;預計到2025年,消費者和企業應用領域的物聯網裝置將超過240億台,目前,物聯網服務已在市場上廣泛應用,涵蓋了幾乎所有行業,包括:汽車、消費電子、企業、醫療保健、工業、智慧建築、智慧城市、智慧居家、公用事業等領域,這些趨勢將持續推動物聯網技術的創新,為人們提供更智慧、更便捷、更高效的解決方案。


消費者的物聯網領域主要成長來源,預計將來自智慧居家、消費電子、可穿戴裝置、和智慧駕駛等;在企業物聯網市場中,成長的關鍵領域包括智慧建築、公用事業、零售、智慧城市、製造、和醫療保健等;對於許多物聯網應用而言,功耗是一個極為嚴格的要求。

圖1 物聯網裝置的預測 (按地理區域劃分)
圖1 物聯網裝置的預測 (按地理區域劃分)

圖1 物聯網裝置的預測 (按地理區域劃分)


MIPI已開發了I3C規格,重點在於支援目標市場的主要設計目標的技術特性:可擴展的性能、低功耗、和低電磁干擾;MIPI了解到在物聯網的世界中,有限的能源使用和低功耗是主要關注的問題,因為許多物聯網裝置是電池操作或具有有限的可用電源。


此白皮書重點介紹了I3C的功能,幫助開發人員實現他們的能源和功耗效率目標,為了確保技術和商業上的成功,了解I3C技術的這一部分並充分利用它是至關重要的。


MIPI I3C 和 I3C Basic 簡介


MIPI Alliance的I3C介面是一個演進式的標準,它改進了I²C的功能,同時保持向後相容性,I3C提供了在主機 (Host) 處理器、微控制器和周邊裝置之間的靈活多點介面,以支援現代架構下的嵌入式系統,MIPI I3C的主要目的有三個:

  1. 嵌入式系統內的通訊標準化,並使用可重新配置的匯流排

  2. 減少使用的物理引腳數量

  3. 支援高速、低功耗的資料傳輸,最高可達33 Mbps

在I3C(但不包括I3C Basic)中,透過使用多通道配置,可以進一步提高33 Mbps的限制:

雙通道(x2通道)和四通道(x4通道)操作均可被實現,分別將資料速率增加兩倍和四倍,儘管硬體複雜性稍有增加。


開發MIPI I3C介面是共同努力,確定真正的市場需求,進一步定義標準,並整合來自領先的SoC、微控制器、感測器樞紐和感測器供應商的技術貢獻。


MIPI I3C最初是為行動應用而設計的,目的在成為可用於任何感測器的單一介面,然而,I3C規範已成功應用於汽車、消費品、和其他智慧手機以外的應用領域;在物聯網應用空間中,I3C具有卓越的優勢,因為它提供了高速資料傳輸並且功耗極低,這對於大多數物聯網嵌入式系統來說非常理想,因為這些系統通常有嚴格的功耗限制。


MIPI I3C基礎知識


MIPI I3C介面使用類似I2C的介面,具有一條稱為SDA (Serial Data) 的漏極開路輸出訊號 (open drain) 和一條稱為SCL (Serial Clock) 的推挽輸出 (push-pull) 訊號,I3C匯流排控制器裝置以通訊匯流排速度最高達12.5 MHz來驅動SCL,實際的資料傳輸速率約為11 Mbps。


I3C提供了幾種不同的資料傳輸模式,基本時脈速率最高可達12.5 MHz:

  • 標准資料傳輸率(SDR)模式:與I2C相同,SDA線由SCL線時脈控制

  • 高資料傳輸率(HDR)為四種不同的模式,速度均快於SDR模式

    • 雙倍數據率(HDR-DDR)模式: SDA在每個SCL邊緣轉換時(而不是每個時脈周期)被時脈控制,有效地使資料傳輸速率翻倍,而時脈速率本身並未增加。

    • 三元符號純匯流排(HDR-TSP)模式(不包括在I3C基本規範中): 在此模式下,SDA和SCL失去了一般的功能,資料以三元符號的形式傳送,有效資料傳輸速率大致增加了三倍,但是,在TSP模式下,無法在I3C匯流排上使用I2C裝置。

    • 三元符號傳統(HDR-TSL)模式(不包括在I3C基本規範中): 類似於TSP模式,但與I2C相容,並且僅具有2.5倍的速度增益(略有降低)。

    • 批量傳輸(HDR-BT)模式: 類似於SDR模式,但以區塊為導向 (block-oriented),使用第9個消息位元(在SDR模式中為奇偶校驗位元或T位元)作為資料,相對於SDR模式,可實現20%的資料傳輸速率增益,資料完整性透過CRC進行檢查。

I3C定義了幾個I3C裝置類別:

  • 主控制器(Primary Controller)

  • 次級控制器(Secondary Controller)

  • 路由器和橋接裝置(Router and Bridge Devices)

  • 目標裝置(Target)

在系統中,只能有一個主控制器,具備相應能力的目標裝置可以要求成為次級控制器;裝置成為次級控制器的能力,會在匯流排配置暫存器(BCR)中的裝置角色位元中表示,授予次級控制器角色是主控制器的一項任務,匯流排地址長度為7位元,所有匯流排位址在匯流排初始化時動態分配,這種位址分配主要由主控制器執行;然而,在特定情況下,次級控制器也可以進行動態地址分配。


在I3C規範中,操作電壓和相關電氣特性的範圍,介於1.2V至3.3V之間;此外,I3C Basic還定義了1.0V的操作條件。


此白皮書稍後將詳細介紹兩個非常有用的I3C功能,分別是帶內中斷(IBI, In-Band-Interrupt)和熱插拔(HJ, Hot-Join):

  • IBI允許I3C目標在無需任何帶外訊號或輪詢機制的情況下發起中斷。

  • HJ允許I3C目標在已經配置好的I3C匯流排上被加入。

這兩個功能都帶來了顯著的功耗效率優勢。


除了電氣和純硬體功能外,MIPI還投入了大量努力來標準化匯流排管理、配置和操作;透過一組精心選擇的共通指令碼(CCC),實現了這一目標,CCC 管理著像啟用和禁用的事件、分配動態地址和許多其他常見匯流排管理任務等標準操作,CCC消息可以直接發送給單個目標,也可以發送給一組目標,或者以全局廣播方式發送給I3C匯流排上的所有目標,群組位址功能在I3C v1.1中引入。


I3C 實現功耗效率


實現I3C中的功耗效率最佳化是多個因素共同作用的結果。在本節中,我們將介紹對功耗效率影響最大的因素。


影響能源效率的參數


為了了解哪些參數影響能源效率,參考圖2所示的典型物聯網裝置是很有幫助的,在該裝置中,微控制器作為匯流排的主控制器,感測器是主要的資料產生器,它們可以以連續循環的速率運行,也可以根據事件不規則地生成資料(例如,當溫度超過預設的觸發點時),還可能存在其他周邊,例如:顯示器、使用者輸入(例如按鈕、旋鈕、觸控)和通訊單元,通訊通常是無線的,且通常是使用低功耗廣域網路(LPWAN)、Wi-Fi、藍牙、或使用行動網路 (cellular) 的物聯網。

圖2:典型物聯網裝置的架構
圖2:典型物聯網裝置的架構

圖2:典型物聯網裝置的架構


對於這樣的系統,影響能源使用的參數可以分為以下幾個類別:

  • 匯流排的電氣特性: 包括操作電壓、匯流排長度、輸出端子的類型(例如漏極開路電路Open Drain上拉、推挽 (push-pull))、輸入端子的電容、以及匯流排上活躍的裝置數量。

  • 傳輸或接收一定數量位元所需的CPU週期數。

  • 在空閒模式下保持裝置存在匯流排上,而不會妨礙匯流排活動並保持系統完全可用的能力。

  • 高效處理同步和非同步事件。

  • 對系統子組件進行選擇性功耗管理。在圖2的範例中,顯示出只在有資料需要發送/接收時,才給通訊單元供電。

I3C匯流排的電氣特性


MIPI I3C卓越的功耗表現,主要得益於I3C匯流排本身的電氣特性。


在估算匯流排的功耗時,主要的貢獻因素包括:

  • Shoot-thru 輸出端子的通電電流: 這發生在線路轉換期間,通電電流的大小取決於用於輸出端子的技術,優化通電電流的功耗,可透過減少每個位元傳送的訊號轉換次數來實現。

  • 匯流排電容的充放電: 匯流排電容是匯流排線的電容、和輸入/輸出端子的電容之和,在I3C中,假定每個裝置的平均輸入電容為5 pF(若 < 1.8V),或者10 pF(若 > 1.8V),而總的匯流排電容低於50 pF。

  • 上拉電阻的電流: 這個電流僅在SDA線路被拉低時存在,上拉電阻(或動態電阻)的值,是訊號上升時間和電流消耗之間的折衷;在I3C中,對於VDD > 1.4V,則會設定為3 mA;而對於VDD < 1.4V,這會被設定為2 mA。

圖3:匯流排電容的來源
圖3:匯流排電容的來源

圖3:匯流排電容的來源


SDA和SCL線路的運作


驅動SCL線路


SCL線始終以推挽 (push-pull) 模式操作,避免了與上拉電阻電流相關的問題;然而,推挽 (push-pull) 操作在I2C的向後相容性方面存在一個限制,在I2C中,SCL是一條漏極開路訊號線,控制器驅動該線路,而在I3C中,目標裝置可以將SCL保持低電平,直到SDA位元被處理("時脈擴展, clock stretching "),時脈擴展很少被使用,通常僅在微控制器目標中的軟體驅動上實現I2C協定時使用,由於SCL線上的推挽 (push-pull) 驅動,不允許在I3C匯流排上操作執行時脈擴展 (clock stretching) 的I2C裝置。

Figure 4 I3C Bus Line Types
Figure 4 I3C Bus Line Types

Figure 4 I3C Bus Line Types


驅動SCL線路


SDA線路的管理比SCL線路更為複雜,根據傳輸的狀態和階段,SDA線路將在上拉、pull-up、和高保持模式之間切換,這些模式之間的動態切換由控制器和目標裝置共同管理;為了最小化通過上拉電阻的電流,我們已經努力減少SDA線路處於漏極開路模式的時間,慢速上升邊緣還使得SCL的低電平部分大於200 ns,是名義上的40 ns的5倍!這將減慢匯流排的傳輸速度。

圖5:典型的I3C資料傳輸
圖5:典型的I3C資料傳輸

圖5:典型的I3C資料傳輸


圖5展示了在3.3V、20 pF匯流排負載和2.83 kΩ條件下,在I3C匯流排上執行資料傳輸的過程。


主控制器透過執行START序列來啟動傳輸:

首先拉低SDA,然後拉低SCL,此時,SDA處於開漏模式,在黃色方塊中,主控制器發送七位元的I3C廣播位址 - 7ꞌh7E,此保留位址僅被I3C裝置識別;根據I2C規範,可能在匯流排上的任何I2C裝置將忽略它。


在此期間,由於位址是可爭取的,SDA必須保持在漏極開路模式;這表示目標裝置可以透過發送自己的位址到匯流排上來請求操作;在傳輸的這部分中,由於漏極開路模式的上升邊緣較慢,SCL時脈無法以全速運行,為了優化功耗,SDA被保持高電平盡可能長的時間(即位址7ꞌhFE中的1位元連續),不消耗電流,直到最後一位元和RnW位都為0;由於處於漏極開路模式,資料只能以較低的速度傳輸(每位240 ns)。


如果至少有一個目標裝置對廣播進行了確認,那麼主控制器就知道它位於I3C匯流排上,然後,它可以發出一個重複的START(在I3C匯流排上的任何I2C裝置都會忽略該訊號),從這一點開始,SDA線將永久切換到更快、更高效的推挽 (push-pull) 模式,根據傳輸類型,SDA線將由主控制器或目標裝置驅動,一旦進入純I3C模式,主控制器可以透過發出重複的START序列來發送命令序列,從而始終保持線路處於推挽 (push-pull) 模式;在純I3C模式下,SCL線路可以以最大可能的速度運行,從而減少執行匯流排傳輸所需的時間。


請注意,只有在與物理匯流排佈局相容的情況下,才能達到12.5 MHz的最大時脈速度,這是設計師必須考慮的重要因素,可透過控制匯流排電容和線長來控制它。


正如圖5所示,這個I3C的傳輸過程經過精心設計,主要用意在於極大地提高效率,以最小化功耗。


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文章概要:

MIPI I3C的除錯介面是一個用於在除錯和測試系統(DTS)與目標系統(TS)之間傳輸除錯控制和資料的最小引腳裸機介面,該規範以動態方式處理網路拓撲,非常適用於提供靈活且可擴展的除錯和測試規範,用於支援行動裝置、物聯網(IoT)、汽車和其他應用場景。


MIPI I3C的除錯介面允許系統設計師透過低頻寬的MIPI I3C 介面,高效且動態地針對應用處理器、電源管理整合電路、調變解調器、和其他需要進行電源管理的組件進行除錯和測試,該介面只需少量引腳,便可在任何大小的系統中實現多元件連接。


該介面可在專用除錯或共享匯流排拓撲下實現多元件連接,只需兩條線路,支援多個入口點,並可在元件關閉電源並重新啟動後保持網路連接。


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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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