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1、白 皮书 2016 年5 月 使用高性能MIPI I3C扩展传感器连接 作者 Sriram Balasubramanian, IP 研发高级经 理， Synopsys Hezi Saar, 产品营销 经理， Synopsys 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
2、 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
3、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 。 ADC Fingerprint Touchscreen GYRO_IRQ_N SNS_SYNC ALS_INT_N COMPASS_INT ULPP_INT NFC_IRQ_INT SLEEP MISO DRDY MOSI SCK SPI ACTIVE SLEEP DRDY ENABLE TS_I2C_CLK TS_I2C_SDA TS_S_DRDY TS_SLEEP ADC ALS/ () Fingerprint A
4、DC (ULPP) Touchscreen T T Host ACCEL_INT ACCEL_INT2 I2C_CLK I2C_SDA 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
5、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 。2 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
6、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 。 Fingerprint ADC Touchscreen SENSOR_CLK SENSOR_DATA Fingerprint ADC Touchscreen T T Host ADC ALS/ () (ULPP) 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
7、 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
8、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。 I3C数据率 I3C 总线
9、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11.11 Mbps 到33.37 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
10、 模式 总 线 中 ， I3C 主 设 备 仍能 在相同 总 线 上以 高 至25.62 Mbps (12.5 MHz SCL 频率) 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25.62 Mbps，而 不 是 33.37 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
11、 ， 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。3 工作模 数据速率 I2C FM * 0 to 400 Kbps I2C FM+ * 0 to 1Mbps I3C Open Drain SDR 4Mbps I3C Push-Pull SDR 11.11 Mbps I3C HDR-DDR 22.22 Mbps I3C HDR-TSL 25.62 Mbps I3C HDR-TSP 33.37 Mbps 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
12、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
13、 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
14、 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 。 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 。 I3C SDA SCL I3C I3C I2C I3C 图3： I3C系统中的总线设备4 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
15、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
