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。
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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。
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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。
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表1：i3c系统支持的数据速率
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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。
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图4：将i3c和mipi csi-2协议用于摄像机控制接口
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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。
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