基于MIPI I3C规范从I2C无缝连接I3C的关键优点

摘要

对于诸多应用，如移动电话、汽车、工业控制、以电池为动力的移动设备、互联网等，在传感器连接方面采用了I2C串行通信协议，原因在于其简单的两线接口体系结构。虽然也存在其他传感器接口，如串行外围接口（SPI）以及通用异步收发器（UART），但I2C的使用更为常见，原因在于其实施简单，引线数低。

然而，随着采用的传感器变多，在很多情形下，一台装置中有可能含有12个或更多的传感器，系统集成变得更加困难，这是因为不间断工作组件的低功耗和高性能要求。路由选择变得日渐困难，必须要支持一些可穿戴应用要求的最大数据率。标准I2C接口采用2线结构，可创建多种应用，这类应用需要额外的边带信号，来满足高优先级中断需求，这类信号为非标准性的且与具体实施相关。在图1中，给出了一个I2C体系结构示例。

 

图1：基于I2C的传感器系统示例（MIPI 联盟）

MIPI®联盟正致力于开发名为I3C（或SenseWire）的新标准，它吸纳了I2C和SPI的关键特性，并将其统一起来。使用全面的低引线数、可扩展性、以及体系结构的支持性，MIPI I3C增强了每一方式的容量和性能。它支持移动设备、移动影响以及嵌入系统应用预计近期将需要的传感器接口结构。在本文中，介绍了MIPI I3C规范，以及从I2C无缝连接I3C的关键优点。

介绍

MIPI I3C规范的一项关键目标是，以I2C生态系统和概念为基础建立，同时保留2线串行接口结构。系统设计人能够在单个设备中连接大量传感器，同时将功耗最小化，并降低部件和实施成本。与此同时，通过利用单条I3C总线，制造商能够将来自不同供应商的多种传感器结合在一起，提供新的功能，同时支持更长的电池寿命和更为经济的系统。在图2中，给出了一个基于I3C的传感器系统示例。

 

图2：使用单条I3C总线的基于I3C的传感器系统示例（MIPI联盟）

MIPI I3C规范具有与I2C的反向兼容型，允许传统的I2C从设备在相同接口上与支持MIPI I3C规范的新设备共存。MIPI I3C规范在2线接口上允许带内中断，这样就能大幅度降低设备的引线数和信号路径，并能在设备中集成额外的传感器。与I2C相比，MIPI I3C提供了更高的数据吞吐率，同时还能保持较低的逻辑复杂度，采用标准的I/O，提供更具适应性的总线拓扑，使得向I3C的转移成为一项颇有吸引力的选择。

I3C总线
I3C包含2线总线：串行数据（SDA）对应与双向串行数据；串行时钟（SCL）对应于特定的串行时钟，可用于时钟引线，或是特定高数据速率（HDR）下的数据引线。I3C总线支持不同类型消息的混合，如I2C类单数据速率（SDR）消息，它采用12.5 MHz速率的SCL时钟，以及能够实现更高数据速率的HDR消息。另外，还支持向主设备发出的带内从触发中断请求，其中可以包含申请主设备功能的请求。在规范中，还给出了关于I3C从设备之间对等通信的规定。

I3C数据率
I3C总线支持的数据率取决于总线模式或总线上的设备类型，以及其性能。仅连接有I3C设备的总线称为纯I3C总线。纯I3C总线支持从8.8 Mbps到26.7 Mbps的速率。典型情况下，纯I3C总线中的SCL时钟频率为12.5 MHz。对于同时连接了I2C和I3C设备的总线，I3C主设备能够在快速模式下（FM）和快速模式+（FM+）速率下与I2C从设备进行通信，速率分别为400 Kbps或1 Mbps。在这类混合模式总线中，I3C主设备仍能在相同总线上以高至20.5 Mbps的较高速率与I3C从设备进行通信。换句话讲，当将I2C设备与I3C总线相连时，总线的最高工作速率会降至20.5 Mbps，而不是26.7 Mbps。

正如所见到的那样，纯I3C总线支持具有较高性能的HDR和双数据速率模式，与已有选项相比，能显著改善性能和能耗效率。I3C还支持多个主设备，动态寻址，命令码兼容，以及高级功耗管理的统一方法，如睡眠模式等。在表1中，给出了I3C系统支持的数据速率。

表1：I3C系统支持的数据速率
**如果I2C从设备和I3C设备共存，则适用

数据传输发生在以“START”字段开始的帧内，随后跟着的是目标从设备地址、数据，最后是“STOP”字段。要想进入HDR模式，需向所有从设备发送专门的广播地址数据头，随后跟着的是高数据速率模式读/写命令和数据。高数据速率模式采用退出模式协议来结束。使用“START”后的数据头，可实现总线仲裁特性。命令码称为公用命令码（CCC），用于管理设备，并进入高数据速率模式。在任何时候，I3C仅允许一个主设备控制I3C总线。在规范中，给出了从一个设备切换至另一设备的主设备功能切换机制。

I3C总线配置和设备作用
I3C总线包含5种不同的设备特性：

一级主设备：用于控制I3C总线和功能；包括总线所有权控制以及切换至二级主设备。

二级主设备：获取对I3C总线的临时控制；需要来自一级主设备的许可；完成控制任务后，将控制交回到一级主设备。

从设备：这类设备的行为相当于I3C主设备的从设备，与来自主设备的公用命令或单独命令对应。

对等从设备：能够直接写入到另一从设备或从另一从设备读取数据的设备，无需与主设备的交互。

I2C从设备：I3C总线中的传统I2C设备；I3C主设备能够有条件地与这类传统设备进行通讯；对速度和容量存在限制。

 

 

图3：I3C系统中的总线设备

在MIPI I3C规范中，定义了适用于每一类型设备的不同特性，如管理SDA仲裁，动态地址分配，热接入特性，HDR主设备和从设备性能。

管理SDA仲裁：当多个设备同时进行传输时，就需要用到仲裁，来解决总线的所有权问题。在仲裁过程中，I3C采用了SDA线，以及漏极开路方法。典型情况下，主设备负责SDA仲裁管理。

动态地址分配：对于与I3C总线相连的每一设备，均需要用于后续事务的独特地址。该地址由I3C一级主设备分配，在总线的初始化过程中分配，或是当新设备连接至现有已配置I3C总线时分配。该过程称为动态地址分配。

热接入特性：对于将在I3C首次加电时激活的所有从设备，并不需要该特性。这种特性出现在两种情形：1）在随后将部分从设备实际连接到总线中，或是这类设备已存在，但尚未激活；2）在总线处于活动状态后的一段时间后为这类设备加电。在总线中激活这类从设备的过程称为热接入。使用热接入特性，当从设备发出请求时，主设备能够将动态地址赋予从设备。

HDR主设备和从设备性能：主设备和从设备均支持高数据速率，如MIPI I3C规范中定义的16.84 Mbps和更高的速率，称为HDR主设备/从设备性能。

I3C使用案例示例
图像传感器
目前，很多系统采纳了流行的MIPI摄像机串行接口（CSI-2）协议，用于连接多种图像传感器，基于I2C协议的旁带控制通道用于摄像机控制接口（CCI）。按照预期，对于与SOC的连接，将采用I3C。采用这一新的配置，能够减少引线数，并简化系统实施，如图4所示。

 

图4：将I3C和MIPI CSI-2协议用于摄像机控制接口

图像传感器能够利用I3C较高的性能来进行控制信息通信，并传输实际图像数据。这类使用与具体情形有关，按照预期，这类使用对于始终工作的图像感知应用来说十分有用，在所述应用中，需要低带宽像素分辨率。很可能的情况是，我们会见到支持I3C的图像传感器，其中，仅将其用作像素通信的数据路径。

传感器子系统
在图5中，显示了SOC总线子系统中的I3C主设备。IP子系统中的模型十分类似于在当前设计中使用I2C主设备的方式，能够以最小风险方便地迁移至I3C总线。

 

图5：基于AMBA的I3C子系统

典型情况下，这类子系统基于ARM® AMBA®总线系统，其中，I3C主设备与CPU相连。性能不同的多个传感器设备与I3C总线相连，I3C总线工作在不同模式和速度下。这类传感器的典型示例包括移动设备中的触摸板传感器，陀螺仪和摄像机接口，它们全都采用I3C总线与SOC中的CPU进行通信。

传感器中枢
图6显示了一个使用I3C传感器中枢的应用示例。在该情形下，I3C总线具有二级主设备，它与一级主设备分离，一级主设备与多个传感器相连。当作为I3C中枢工作时，二级主设备会获得I3C总线的所有权，并与传感器直接通信。一旦二级主设备在其I3C中线中获得相关的传感器数据，它会与一级主装置进行通信，一级主设备负责将数据传送至CPU。

 

图6：I3C传感器中枢使用案例示例

总结

MIPI I3C规范结合了I2C和串行外围接口（SPI）的多种特性，提供了统一的标准和可扩展接口，能够将多个传感器与SoC相连。它提供了低的引线数和低功耗解决方案，可为集成了大量传感器的系统提供所需的吞吐率，从而降低成本。对于多种应用，如基于使用摄像记录控制接口（CCI）的MIPI CSI-2协议的图像传感器，已开始采用I3C来替代早先的I2C总线。

MIPI传感器工作小组由众多主要的系统设计和ASIC供应商组成，它们协同工作，致力于确定I3C规范，更为重要的是，从一开始，很多如Synopsys一样的领先IP供应商就参与到MIPI传感器工作小组，负责提供输入和规范知识，简化了实施和向后兼容。

结合以生态系统，Synopsys实现了多种概念验证设计，可对规范中的多种假设进行验证确认，有助于统一和可扩展的接口。这样，可确保与其他解决方案的互操作性，有助于建立健康的生态系统。此外，使用Synopsys的DesignWare® MIPI I3C Controller IP，设计人员还能缩短开发周期，降低总的拥有成本，并将风险从传统的I2C迁移至I3C。