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)
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：
嵌入式系統內的通訊標準化，並使用可重新配置的匯流排
減少使用的物理引腳數量
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
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
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
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：
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