如何利用I3C提升嵌入式系统性能

如何利用I3C提升嵌入式系统性能

随着嵌入式系统变得越来越复杂，MIPI联盟开发的I3C（Improved Inter-Integrated Circuit）接口应运而生。I3C不仅具备更快的通信速率和更低的功耗，还提供了更高的设计灵活性，为电子元件之间的通信方式带来了革命性的提升。本文将深入探讨I3C在各类嵌入式系统中的应用，以及其为I2C和SPI实现方案带来的稳健升级途径和兼容性。

I3C和IoT应用

物联网（IoT）已经渗透到我们日常生活的方方面面，从家用小工具到复杂的楼宇自动化和可穿戴设备。这些互联设备通过收集和交换数据，从根本上塑造了我们的数字生态系统。在物联网设备中，各种传感器发挥着关键作用，例如测量、监视和传递温度、湿度、压力和距离等物理属性。

I3C协议为联网传感器节点带来了诸多好处。它支持高速通信，在单倍数据速率（SDR）模式下的速度最高可达12.5 MHz。此外，I3C还支持带内中断和动态寻址。在动态寻址中，中央控制器为每个连接的设备分配唯一地址，以防止地址冲突。与前代I2C相比，I3C兼具更快的速度、更简单的双线接口和更高效的协议结构，同时工作电压更低，从而降低了功耗。这些改进使得I3C非常适合高效管理互联网络内的多个传感器节点。

将内置I3C外设的低成本MCU作为模拟“聚合器”纳入IoT传感器节点，可以提升整个传感器网络的功能和效率。在这种配置中，MCU的片上模数转换器（ADC）用于将来自多个模拟传感器的读数转换为数字值。这些数字值随后可存入MCU的内部存储器以供进一步分析，或者重组结构以实现更高效的传输。聚合的传感器数据以针对系统效率优化的间隔通过I3C总线传输到主控制器。

与其他通信接口相比，I3C需要更少的引脚和电线，能够最大限度地降低元件复杂度、成本和功耗，因此在基于传感器的系统中具有显著优势。对于主攻高要求IoT市场的系统设计人员来说，带I3C通信接口的紧凑型单片机已然成为不可或缺的解决方案，有助于成功打造符合市场要求的IoT设备。

嵌入式设备中的多种协议和多种电压

随着技术要求的日益增长，嵌入式开发人员在向后兼容性方面面临着越来越大的挑战。这种兼容性至关重要，因为可以逐步更新嵌入式系统，无需完全重新设计。为了帮助简化向I3C的过渡，新的通信协议解决了I2C和SMBus的局限性，同时与I2C一样仍使用两个引脚（分别用于时钟和数据）以保持兼容性。

尽管I3C旨在向后兼容I2C/SMBus协议，但如果I3C总线上存在I2C/SMBus器件可能会影响总线性能，即使针对I3C器件进行了控制器优化也无济于事。为了解决这一问题，带I3C模块的MCU可以充当桥接器件，将I2C/SMBus目标器件与“纯”I3C总线隔离。这样可以保持I3C总线的完整性，同时允许主I3C控制器通过桥接MCU与I2C/SPI器件通信。此外，MCU还可以整合来自I2C/SMBus器件的中断，并使用带内中断将其传输到主I3C控制器，而无需额外的引脚或信号。

嵌入式系统包含各种元件，例如MCU、传感器和其他电路。通常，这些元件需要相互连接，但各自位于不同的电压域。例如，模拟传感器通常在5V电压下工作，而I2C和SMBus等通信协议则需要3.3V电压。为了满足现代高速处理器的要求，I3C总线甚至可以在1V电压下工作。

具有多电压I/O（MVIO）特性的MCU可以解决电压不兼容问题，并且无需电平转换器。该特性使I3C总线与I2C/SMBus总线能够同时在不同电压下工作。例如，MCU可以在1V电压下运行I3C总线，同时将I2C/SMBus总线保持在更高的3.3V电压，以便兼容旧款器件。

Microchip的PIC18-Q20 MCU支持MVIO，并提供I3C、SPI、I2C和UART等多种通信协议以及最多三个独立的工作电压域。这种灵活性非常有助于在复杂的网络环境中允许各个器件使用不同的协议和电压，方便嵌入式开发人员在保持现有协议的同时确保其设计满足未来需求。

现代计算基础设施

大多数人都低估了我们在日常数字生活中对数据中心的依赖程度。从开展商业和金融交易到浏览互联网、存储数据、参与社交网络、参加虚拟会议和享受数字娱乐——所有这些活动都依赖数据中心。数据中心确保我们的数据安全、互联网快速、数字服务始终可用。

数据中心的核心是现代刀锋服务器，这是一种高度先进的计算机，旨在最大限度地提高空间效率并大规模优化网络性能。由于其作用至关重要，因此每个服务器机箱内的某些系统任务会被委托给边带控制器处理。当主处理单元专注于管理主要数据流时，边带控制器会介入以增强网络性能。边带控制器会建立辅助通信通道来监督各个刀锋服务器，并处理各项重要任务，例如监视系统健康状况、检测故障、发现和配置设备、更新固件，以及在不中断主处理器的情况下进行诊断。这样可以确保网络运行平稳高效。边带管理是一种重要的工具，可以极大地提高数据中心的可靠性、可用性和效率。

此外，数据中心通常还使用固态硬盘（SSD）来存储和快速访问数据。最新的SSD规格（SNIA®企业和数据中心标准规格（EDSFF））采用I3C协议进行边带通信，这是现有SMBus协议的自然升级。I3C满足对更快性能、更高数据传输速率和更高电源效率的需求。利用I3C的高速通信，可以更快速地进行总线管理和配置修改，从而增强系统响应能力。

PIC18-Q20系列等灵活的MCU特别适合用于数据中心和企业环境中的系统管理任务。这些MCU最多具有两个独立的I3C接口，可以轻松连接到SSD控制器以执行系统管理任务，以及通过边带连接与母板管理控制器（BMC）相连。此外，这些器件还内置传统通信协议（如I2C/SMBus、SPI和UART），因此成为当前和下一代SSD设计的理想解决方案。

结论

集成I3C协议已成为嵌入式系统的一项关键技术。I3C兼具增强的通信能力、更低的功耗以及与现有协议的兼容性，因此成为了构建下一代IoT和计算应用的基石。I3C的多功能性可以优化IoT设备和数据中心通信中的传感器功能，将I3C集成到单片机中可以为不断发展的电子系统领域提供坚实的基础。随着技术的不断进步，I3C的应用变得越来越普遍，许多电子应用的性能、可靠性和效率也因此得到了提升。

本文原文来自elecfans.com