摘要

對于諸多應用，如移動電話、汽車、工業控制、以電池為動力的移動設備、互聯網等，在傳感器連接方面采用了I2C串行通信協議，原因在于其簡單的兩線接口體系結構。雖然也存在其他傳感器接口，如串行外圍接口（SPI）以及通用異步收發器（UART），但I2C的使用更為常見，原因在于其實施簡單，引線數低。

然而，隨著采用的傳感器變多，在很多情形下，一臺裝置中有可能含有12個或更多的傳感器，系統集成變得更加困難，這是因為不間斷工作組件的低功耗和高性能要求。路由選擇變得日漸困難，必須要支持一些可穿戴應用要求的最大數據率。標準I2C接口采用2線結構，可創建多種應用，這類應用需要額外的邊帶信號，來滿足高優先級中斷需求，這類信號為非標準性的且與具體實施相關。在圖1中，給出了一個I2C體系結構示例。

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圖1：基于I2C的傳感器系統示例（MIPI 聯盟）

MIPI?聯盟正致力于開發名為I3C（或SenseWire）的新標準，它吸納了I2C和SPI的關鍵特性，并將其統一起來。使用全面的低引線數、可擴展性、以及體系結構的支持性，MIPI I3C增強了每一方式的容量和性能。它支持移動設備、移動影響以及嵌入系統應用預計近期將需要的傳感器接口結構。在本文中，介紹了MIPI I3C規范，以及從I2C無縫連接I3C的關鍵優點。

介紹

MIPI I3C規范的一項關鍵目標是，以I2C生態系統和概念為基礎建立，同時保留2線串行接口結構。系統設計人能夠在單個設備中連接大量傳感器，同時將功耗最小化，并降低部件和實施成本。與此同時，通過利用單條I3C總線，制造商能夠將來自不同供應商的多種傳感器結合在一起，提供新的功能，同時支持更長的電池壽命和更為經濟的系統。在圖2中，給出了一個基于I3C的傳感器系統示例。

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圖2：使用單條I3C總線的基于I3C的傳感器系統示例（MIPI聯盟）

MIPI I3C規范具有與I2C的反向兼容型，允許傳統的I2C從設備在相同接口上與支持MIPI I3C規范的新設備共存。MIPI I3C規范在2線接口上允許帶內中斷，這樣就能大幅度降低設備的引線數和信號路徑，并能在設備中集成額外的傳感器。與I2C相比，MIPI I3C提供了更高的數據吞吐率，同時還能保持較低的邏輯復雜度，采用標準的I/O，提供更具適應性的總線拓撲，使得向I3C的轉移成為一項頗有吸引力的選擇。

I3C總線
I3C包含2線總線：串行數據（SDA）對應與雙向串行數據；串行時鐘（SCL）對應于特定的串行時鐘，可用于時鐘引線，或是特定高數據速率（HDR）下的數據引線。I3C總線支持不同類型消息的混合，如I2C類單數據速率（SDR）消息，它采用12.5 MHz速率的SCL時鐘，以及能夠實現更高數據速率的HDR消息。另外，還支持向主設備發出的帶內從觸發中斷請求，其中可以包含申請主設備功能的請求。在規范中，還給出了關于I3C從設備之間對等通信的規定。

I3C數據率
I3C總線支持的數據率取決于總線模式或總線上的設備類型，以及其性能。僅連接有I3C設備的總線稱為純I3C總線。純I3C總線支持從8.8 Mbps到26.7 Mbps的速率。典型情況下，純I3C總線中的SCL時鐘頻率為12.5 MHz。對于同時連接了I2C和I3C設備的總線，I3C主設備能夠在快速模式下（FM）和快速模式+（FM+）速率下與I2C從設備進行通信，速率分別為400 Kbps或1 Mbps。在這類混合模式總線中，I3C主設備仍能在相同總線上以高至20.5 Mbps的較高速率與I3C從設備進行通信。換句話講，當將I2C設備與I3C總線相連時，總線的最高工作速率會降至20.5 Mbps，而不是26.7 Mbps。

正如所見到的那樣，純I3C總線支持具有較高性能的HDR和雙數據速率模式，與已有選項相比，能顯著改善性能和能耗效率。I3C還支持多個主設備，動態尋址，命令碼兼容，以及高級功耗管理的統一方法，如睡眠模式等。在表1中，給出了I3C系統支持的數據速率。

表1：I3C系統支持的數據速率
**如果I2C從設備和I3C設備共存，則適用

數據傳輸發生在以“START”字段開始的幀內，隨后跟著的是目標從設備地址、數據，最后是“STOP”字段。要想進入HDR模式，需向所有從設備發送專門的廣播地址數據頭，隨后跟著的是高數據速率模式讀/寫命令和數據。高數據速率模式采用退出模式協議來結束。使用“START”后的數據頭，可實現總線仲裁特性。命令碼稱為公用命令碼（CCC），用于管理設備，并進入高數據速率模式。在任何時候，I3C僅允許一個主設備控制I3C總線。在規范中，給出了從一個設備切換至另一設備的主設備功能切換機制。

I3C總線配置和設備作用
I3C總線包含5種不同的設備特性：

一級主設備：用于控制I3C總線和功能；包括總線所有權控制以及切換至二級主設備。

二級主設備：獲取對I3C總線的臨時控制；需要來自一級主設備的許可；完成控制任務后，將控制交回到一級主設備。

從設備：這類設備的行為相當于I3C主設備的從設備，與來自主設備的公用命令或單獨命令對應。

對等從設備：能夠直接寫入到另一從設備或從另一從設備讀取數據的設備，無需與主設備的交互。

I2C從設備：I3C總線中的傳統I2C設備；I3C主設備能夠有條件地與這類傳統設備進行通訊；對速度和容量存在限制。

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圖3：I3C系統中的總線設備

在MIPI I3C規范中，定義了適用于每一類型設備的不同特性，如管理SDA仲裁，動態地址分配，熱接入特性，HDR主設備和從設備性能。

管理SDA仲裁：當多個設備同時進行傳輸時，就需要用到仲裁，來解決總線的所有權問題。在仲裁過程中，I3C采用了SDA線，以及漏極開路方法。典型情況下，主設備負責SDA仲裁管理。

動態地址分配：對于與I3C總線相連的每一設備，均需要用于后續事務的獨特地址。該地址由I3C一級主設備分配，在總線的初始化過程中分配，或是當新設備連接至現有已配置I3C總線時分配。該過程稱為動態地址分配。

熱接入特性：對于將在I3C首次加電時激活的所有從設備，并不需要該特性。這種特性出現在兩種情形：1）在隨后將部分從設備實際連接到總線中，或是這類設備已存在，但尚未激活；2）在總線處于活動狀態后的一段時間后為這類設備加電。在總線中激活這類從設備的過程稱為熱接入。使用熱接入特性，當從設備發出請求時，主設備能夠將動態地址賦予從設備。

HDR主設備和從設備性能：主設備和從設備均支持高數據速率，如MIPI I3C規范中定義的16.84 Mbps和更高的速率，稱為HDR主設備/從設備性能。

I3C使用案例示例
圖像傳感器
目前，很多系統采納了流行的MIPI攝像機串行接口（CSI-2）協議，用于連接多種圖像傳感器，基于I2C協議的旁帶控制通道用于攝像機控制接口（CCI）。按照預期，對于與SOC的連接，將采用I3C。采用這一新的配置，能夠減少引線數，并簡化系統實施，如圖4所示。

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圖4：將I3C和MIPI CSI-2協議用于攝像機控制接口

圖像傳感器能夠利用I3C較高的性能來進行控制信息通信，并傳輸實際圖像數據。這類使用與具體情形有關，按照預期，這類使用對于始終工作的圖像感知應用來說十分有用，在所述應用中，需要低帶寬像素分辨率。很可能的情況是，我們會見到支持I3C的圖像傳感器，其中，僅將其用作像素通信的數據路徑。

傳感器子系統
在圖5中，顯示了SOC總線子系統中的I3C主設備。IP子系統中的模型十分類似于在當前設計中使用I2C主設備的方式，能夠以最小風險方便地遷移至I3C總線。

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圖5：基于AMBA的I3C子系統

典型情況下，這類子系統基于ARM? AMBA?總線系統，其中，I3C主設備與CPU相連。性能不同的多個傳感器設備與I3C總線相連，I3C總線工作在不同模式和速度下。這類傳感器的典型示例包括移動設備中的觸摸板傳感器，陀螺儀和攝像機接口，它們全都采用I3C總線與SOC中的CPU進行通信。

傳感器中樞
圖6顯示了一個使用I3C傳感器中樞的應用示例。在該情形下，I3C總線具有二級主設備，它與一級主設備分離，一級主設備與多個傳感器相連。當作為I3C中樞工作時，二級主設備會獲得I3C總線的所有權，并與傳感器直接通信。一旦二級主設備在其I3C中線中獲得相關的傳感器數據，它會與一級主裝置進行通信，一級主設備負責將數據傳送至CPU。

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圖6：I3C傳感器中樞使用案例示例

總結

MIPI I3C規范結合了I2C和串行外圍接口（SPI）的多種特性，提供了統一的標準和可擴展接口，能夠將多個傳感器與SoC相連。它提供了低的引線數和低功耗解決方案，可為集成了大量傳感器的系統提供所需的吞吐率，從而降低成本。對于多種應用，如基于使用攝像記錄控制接口（CCI）的MIPI CSI-2協議的圖像傳感器，已開始采用I3C來替代早先的I2C總線。

MIPI傳感器工作小組由眾多主要的系統設計和ASIC供應商組成，它們協同工作，致力于確定I3C規范，更為重要的是，從一開始，很多如Synopsys一樣的領先IP供應商就參與到MIPI傳感器工作小組，負責提供輸入和規范知識，簡化了實施和向后兼容。

結合以生態系統，Synopsys實現了多種概念驗證設計，可對規范中的多種假設進行驗證確認，有助于統一和可擴展的接口。這樣，可確保與其他解決方案的互操作性，有助于建立健康的生態系統。此外，使用Synopsys的DesignWare? MIPI I3C Controller IP，設計人員還能縮短開發周期，降低總的擁有成本，并將風險從傳統的I2C遷移至I3C。