利用 I3C? 提升嵌入式系統(tǒng)性能

Microchip Technology Inc. Stephenie Pinteric & Ulises Iniguez


在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，嵌入式系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，許多應(yīng)用（包括 IoT、計(jì)算、可穿戴設(shè)備和安全 敏感型應(yīng)用）中的嵌入式系統(tǒng)都包含多種傳感器和元件。為了滿足這些市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的需求，MIPI 聯(lián)盟 開(kāi)發(fā)了 Improved Inter-Integrated Circuit?（I3C?）接口。I3C 是一種高級(jí)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(shè)計(jì)靈活性，大大提升了電子元件之間的通信方式。單片機(jī)（MCU）作為嵌入 的主要組成部分，用于控制傳感器信號(hào)采集和閉環(huán)控制等應(yīng)用功能。我們將深入探討可以利用帶 式系統(tǒng) I3C 通信 接口的 MCU 的幾類應(yīng)用，為 I2C 和 SPI 實(shí)現(xiàn)方案提供穩(wěn)健的升級(jí)途徑和兼容性。

I3C 和 IoT 應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）幾乎已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妫瑥募矣眯」ぞ叩綇?fù)雜的樓宇自動(dòng)化和 可穿戴設(shè)備可謂無(wú)處不在。這些互聯(lián)的設(shè)備彼此之間收集和交換數(shù)據(jù)，從根本上塑造了我們的數(shù)字生態(tài)系 統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，不同類型的傳感器發(fā)揮著一系列關(guān)鍵作用，例如測(cè)量、監(jiān)視和傳遞溫度、濕度、壓 力和距離等關(guān)鍵物理屬性。

I3C 協(xié)議為聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了諸多好處。它支持高速通信，在單倍數(shù)據(jù)速率（SDR）模式下的 速度最高達(dá) 12.5 MHz。它還支持帶內(nèi)中斷和動(dòng)態(tài)尋址。在動(dòng)態(tài)尋址中，中央控制器為連接的每個(gè)器件分配 惟一的地址，以防止發(fā)生地址沖突。與其前身 I2C 相比，I3C 兼具更快的速度、更簡(jiǎn)單的雙線接口和更高 效的協(xié)議結(jié)構(gòu)，并且工作電壓更低，從而降低了功耗。這些改進(jìn)使得 I3C 非常適合高效地管理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

將內(nèi)置 I3C 外設(shè)的低成本 MCU 作為模擬“聚合器”納入 IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)，可以提升整個(gè)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的功能和效率。在這種配置中，MCU 的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于將來(lái)自多個(gè)模擬傳感器的讀數(shù)轉(zhuǎn)換 為數(shù)字值。 這些數(shù)字值隨后可存入 MCU 的內(nèi)部存儲(chǔ)器以供進(jìn)一步分析，或者重組結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更高效的傳 輸。聚合的傳感器數(shù)據(jù)以針對(duì)系統(tǒng)效率優(yōu)化的間隔通過(guò) I3C 總線傳輸?shù)街骺刂破鳌?br />
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(fù)雜度、成本和功 耗，因此在基于傳感器的系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。對(duì)于主攻高要求 IoT 市場(chǎng)領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，帶 I3C 通信接口的緊湊型單片機(jī)已然成為不可或缺的解決方案，有助于成功打造符合市場(chǎng)要求的 IoT 設(shè)備。

嵌入式設(shè)備中的多種協(xié)議和多種電壓




隨著技術(shù)要求的日益增長(zhǎng)，嵌入式開(kāi)發(fā)人員在向后兼容性方面面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。這種兼容 性至關(guān)重要，因?yàn)榭梢灾鸩礁虑度胧较到y(tǒng)，無(wú)需完全重新設(shè)計(jì)。為了幫助簡(jiǎn)化向 I3C 的過(guò)渡，新的通信 協(xié)議解決了 I2C 和 SMBus 的局限性，同時(shí)與 I2C 一樣仍使用兩個(gè)引腳（分別用于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）以保持兼容 性。

盡管 I3C 旨在向后兼容 I2C/SMBus 協(xié)議，但如果 I3C 總線上存在 I2C/SMBus 器件可能會(huì)影響總線性 能，即使針對(duì) I3C 器件進(jìn)行了控制器優(yōu)化也無(wú)濟(jì)于事。為了解決這一問(wèn)題，帶 I3C 模塊的 MCU 可以充當(dāng)橋 接器件，將 I2C/SMBus 目標(biāo)器件與“純”I3C 總線隔離。這樣可以保持 I3C 總線的完整性，同時(shí)允許主 I3C 控制器通過(guò)橋接 MCU 與 I2C/SPI 器件通信。此外，MCU 還可以整合來(lái)自 I2C/SMBus 器件的中斷，并使用帶 內(nèi)中斷將其傳輸?shù)街?I3C 控制器，而無(wú)需額外的引腳或信號(hào)。

嵌入式系統(tǒng)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(xié)議則需要 3.3V 電壓。為了滿足現(xiàn)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(wèn)題，并且無(wú)需電平轉(zhuǎn)換器。該特性使 I3C 總線與 I2C/SMBus 總線能夠同時(shí)在不同電壓下工作。例如，MCU 可以在 1V 電壓下運(yùn)行 I3C 總線，同時(shí) 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(xié)議以及最多 三個(gè)獨(dú)立的工作電壓域。這種靈活性非常有助于在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中允許各個(gè)器件使用不同的協(xié)議和電 壓，方便嵌入式開(kāi)發(fā)人員在保持現(xiàn)有協(xié)議的同時(shí)確保其設(shè)計(jì)滿足未來(lái)需求。

現(xiàn)代計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施

大多數(shù)人都低估了我們?cè)谌粘?shù)字生活中對(duì)數(shù)據(jù)中心的依賴程度。從開(kāi)展商業(yè)和金融交易到瀏覽 互聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、參與社交網(wǎng)絡(luò)、參加虛擬會(huì)議和享受數(shù)字娛樂(lè)——所有這些活動(dòng)都依賴數(shù)據(jù)中心。數(shù) 據(jù)中心確保我們的數(shù)據(jù)安全、互聯(lián)網(wǎng)快速、數(shù)字服務(wù)始終可用。

數(shù)據(jù)中心的核心是現(xiàn)代刀鋒服務(wù)器，這是一種高度先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，旨在最大限度地提高空間效率 并大規(guī)模優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。由于其作用至關(guān)重要，因此每個(gè)服務(wù)器機(jī)箱內(nèi)的某些系統(tǒng)任務(wù)會(huì)被委托給邊帶控 制器處理。當(dāng)主處理單元專注于管理主要數(shù)據(jù)流時(shí)，邊帶控制器會(huì)介入以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能。邊帶控制器會(huì)建 立輔助通信通道來(lái)監(jiān)督各個(gè)刀鋒服務(wù)器，并處理各項(xiàng)重要任務(wù)，例如監(jiān)視系統(tǒng)健康狀況、檢測(cè)故障、發(fā)現(xiàn) 和配置設(shè)備、更新固件，以及在不中斷主處理器的情況下進(jìn)行診斷。這樣可以確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行平穩(wěn)高效。邊 帶管理是一種重要的工具，可以極大地提高數(shù)據(jù)中心的可靠性、可用性和效率。

此外，數(shù)據(jù)中心通常還使用固態(tài)硬盤(pán)（SSD）來(lái)存儲(chǔ)和快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)。最新的 SSD 規(guī)格（SNIA?企 業(yè)和數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（EDSFF））采用 I3C 協(xié)議進(jìn)行邊帶通信，這是現(xiàn)有 SMBus 協(xié)議的自然升級(jí)。I3C 滿 足對(duì)更快性能、更高數(shù)據(jù)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(jìn)行總線 管理和配置修改，從而增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)能力。

PIC18-Q20 系列等靈活的 MCU 特別適合用于數(shù)據(jù)中心和企業(yè)環(huán)境中的系統(tǒng)管理任務(wù)。這些 MCU 最 多具有兩個(gè)獨(dú)立的 I3C 接口，可以輕松連接到 SSD 控制器以執(zhí)行系統(tǒng)管理任務(wù)，以及通過(guò)邊帶連接與母板 管理控制器（BMC）相連。此外，這些器件還內(nèi)置傳統(tǒng)通信協(xié)議（如 I2C/SMBus、SPI 和 UART），因此成 為當(dāng)前和下一代 SSD 設(shè)計(jì)的理想解決方案。



結(jié)論

集成 I3C 協(xié)議已成為嵌入式系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。I3C 兼具增強(qiáng)的通信能力、更低的功耗以及與現(xiàn) 有協(xié)議的兼容性，因此成為了構(gòu)建下一代 IoT 和計(jì)算應(yīng)用的基石。I3C 的多功能性可以優(yōu)化 IoT 設(shè)備和數(shù)據(jù) 中心通信中的傳感器功能，將 I3C 集成到單片機(jī)中可以為不斷發(fā)展的電子系統(tǒng)領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著 技術(shù)的不斷進(jìn)步，I3C 的應(yīng)用變得越來(lái)越普遍，許多電子應(yīng)用的性能、可靠性和效率也因此得到了提升。