Оглавление:
Старый добрый протокол I2C, или «межинтегральная схема», с момента своего появления в 1980-х годах, стала де-факто стандартом в области встраиваемых систем. Разработанный компанией Philips, этот протокол идеально подошел к эпохе, когда стремительное распространение электронных устройств требовало новых подходов. В начале XXI века люди начали отдавать предпочтение более компактным и портативным устройствам, что сделало необходимость миниатюризации ключевым вызовом для разработчиков. Никто не хотел носить телефон, по размеру напоминающий кирпич. Требовались устройства, которые можно было бы легко брать с собой в дорогу. Задача уменьшения размеров гаджетов привела к необходимости более рационального использования пространства внутри устройств. Именно эту проблему попытался решить протокол I2C.
I2C значительно упростил подключение компонентов на печатной плате, сведя количество необходимых проводов к минимуму. Для работы системы требовались всего две линии: линия данных (SDA) и линия синхронизации (SCL). Линия SDA отвечает за передачу данных, тогда как SCL обеспечивает синхронизацию взаимодействия между ведущими и ведомыми устройствами. Такое минималистичное решение стало настоящим прорывом в дизайне печатных плат. Благодаря упрощению схемы стало возможным создавать компактные, чистые и упорядоченные конструкции, которые позволяли разместить больше систем на ограниченном пространстве. Это соответствовало основной цели – разработке компактных и удобных устройств.
Эволюция от I2C к I3C
С развитием технологий требования к последовательным протоколам связи росли, что привело к адаптации и усовершенствованию существующих решений. Одним из таких шагов вперед стал протокол I3C, или «улучшенная межинтегральная схема», разработанный Альянсом MIPI и выпущенный в 2016 году – спустя 35 лет после появления I2C. Новый стандарт был создан для устранения ограничений предшественника и предоставления новых возможностей.
I3C сохранил двухпроводной подход, однако значительно расширил функционал. Среди ключевых улучшений – более высокая скорость передачи данных, повышенная энергоэффективность и сокращение энергозатрат. Это позволило добиваться большего при меньших ресурсах, делая устройства еще более производительными и компактными. Протокол I3C стал логическим шагом в эволюции технологий, отвечая современным требованиям и открывая новые горизонты для разработки электронных устройств.
Более высокие скорости
Одним из улучшений I3C по сравнению с I2C, выступает его способность отправлять данные на высоких тактовых частотах. Исторически I2C не обязательно должен был быть чрезвычайно быстрым протоколом, поскольку он обычно использовался в датчиках, которым не требуется большая пропускная способность данных для работы. Но по мере того как датчики и встроенные системы становятся все более сложными и изощренными, возникает потребность в более быстрой пропускной способности данных.
I2C работает в пяти основных режимах:
- Стандартный режим: 100 кГц
- Быстрый режим: 400 кГц
- Быстрый режим Plus: 1 МГц
- Высокая скорость: 3,4 МГц
- Сверхбыстрый режим: 5 МГц
С другой стороны, I3C имеет стандартную скорость передачи данных 12,5 МГц, а новые версии I3C (v1.1) поддерживают скорость передачи данных до 100 Мбит/с.
При создании протокола I3C особое внимание уделялось его полной обратной совместимости. Это позволило новым приложениям на основе I3C взаимодействовать как с подчиненными устройствами, работающими по I2C, так и с собственными устройствами I3C. Такая гибкость предоставляет инженерам возможность плавного и поэтапного перехода от существующих приложений I2C к более современным решениям. Это особенно важно для разработчиков встраиваемых систем, так как обеспечивает более упрощенное и организованное внедрение нового стандарта.
Современные встроенные системы становятся всё сложнее, объединяя множество датчиков и специализированных компонентов. Такие системы находят применение в Интернете вещей (IoT), вычислительных устройствах, носимой электронике и других передовых технологиях. Чтобы соответствовать растущим требованиям этих приложений, MIPI Alliance разработал усовершенствованный последовательный интерфейс I3C (улучшенная межинтегральная схема). Он предоставляет значительно больше возможностей для взаимодействия с электронными компонентами, включая повышенные скорости передачи данных, сокращение энергопотребления и большую гибкость в проектировании систем.
Одним из ключевых элементов любой встроенной системы являются микроконтроллеры (MCU), которые выполняют управление датчиками и другими компонентами. В этой статье мы рассмотрим примеры приложений, использующих MCU с интерфейсом I3C. Это откроет новые возможности для миграции, а также обеспечит совместимость с популярными стандартами I2C и SPI, делая переход к новым технологиям более удобным и эффективным.
Устройства I3C и Интернет вещей
Интернет вещей (IoT) стал неотъемлемой частью нашей жизни, охватывая всё: от умных домашних устройств до современных систем автоматизации зданий и носимой электроники. Эти взаимосвязанные устройства собирают, анализируют и передают данные, формируя основу нашей цифровой среды. В таких системах ключевую роль играют разнообразные датчики, которые измеряют и контролируют физические параметры, такие как температура, влажность, давление и расстояние, передавая их на микроконтроллеры для обработки.
Протокол I3C предоставляет датчикам значительные преимущества. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных до 12,5 МГц в режиме одиночной скорости передачи (SDR) и поддерживает функции прерываний и динамической адресации. Последняя позволяет контроллеру автоматически назначать уникальные адреса каждому подключенному устройству, исключая конфликты адресации. По сравнению с I2C, I3C отличается более высокой скоростью, упрощенным двухпроводным интерфейсом, энергоэффективной структурой протокола и возможностью работы при низком напряжении, что сокращает энергопотребление. Эти усовершенствования делают I3C идеальным для управления множеством сенсорных узлов в сетях IoT.
Использование недорогого микроконтроллера с интегрированными периферийными блоками I3C позволяет значительно повысить эффективность работы сенсорных узлов в IoT. Такой микроконтроллер может выступать в роли агрегатора данных, управляя несколькими аналоговыми датчиками через встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Полученные цифровые значения сохраняются во внутренней памяти устройства для анализа или формирования пакетов для передачи. Агрегированные данные передаются на основной контроллер через шину I3C с оптимизированными временными интервалами, что обеспечивает высокую производительность всей системы.
Наибольшие преимущества I3C в мультисенсорных системах заключаются в его способности минимизировать сложность устройства и количество компонентов, а также стоимость и энергопотребление. Канал содержит меньше контактов и поэтому требует более простой проводки по сравнению с альтернативными интерфейсами связи. Для разработчиков систем для требовательного рынка Интернета вещей недорогой микроконтроллер с интерфейсом связи I3C становится очень даже разумным решением.
I2C имеет метод адресации устройств, называемый статической адресацией. Это, говоря простыми словами, означает, что производители фиксируют адреса своих устройств в производстве. Одним из недостатков этого является то, что поставщики могут использовать тот же адрес, что и другой поставщик для продукта, который использует I2C, что вызывает проблемы во время интеграции. Во время инициализации шины контроллер I3C назначает 7-битный динамический адрес каждому устройству на шине I3C, тем самым устраняя проблемы, связанные с дублированием адресов, поскольку каждое устройство I3C получает уникальный адрес от ведущего устройства.
Множество протоколов и питаний
Технологическое развитие означает, что разработчики встраиваемых систем сталкиваются с растущими проблемами, связанными с обеспечением обратной совместимости. Это ключевой аспект, поскольку он позволяет осуществлять эволюционную модернизацию встроенных систем, а не их полную переработку. Чтобы облегчить переход на I3C, этот новый протокол связи устраняет предыдущие ограничения интерфейсов I2C и SMBus, используя при этом те же два контакта, что и I2C, для синхронизации и передачи данных для обеспечения обратной совместимости.
Наличие «старого» устройства I2C/SMBus на шине I3C может повлиять на его производительность даже при оптимально подобранном контроллере для устройств I3C. Чтобы решить эту проблему, MCU с модулем I3C может служить мостом для изоляции целевых устройств I2C/SMBus от «чистой» шины I3C. Это поддерживает целостность шины I3C, позволяя основному контроллеру I3C взаимодействовать с устройствами I2C/SPI через мост в MCU. Кроме того, микроконтроллер может консолидировать прерывания от устройств I2C/SMBus и отправлять их на основной контроллер I3C через внутриполосные прерывания без использования дополнительных выводов.
Встроенные системы содержат такие компоненты, как микроконтроллеры, датчики и другие схемы, питаемые различным напряжением. Например, аналоговые датчики обычно работают при напряжении 5 В, тогда как протоколы связи, такие как I2C и SMBus, требуют напряжения питания 3,3 В. Шина I3C может работать при напряжении всего 1 В, чтобы удовлетворить требования современных микроконтроллеров.
Микроконтроллеры с функцией ввода-вывода с несколькими напряжениями (MVIO) устраняют такие возможные несоответствия напряжения и устраняют необходимость в преобразователях уровня (трансляторах). Эта функция позволяет I3C и I2C/SMBus работать одновременно при разных напряжениях. Например, микроконтроллер может управлять шиной I3C при напряжении 1 В, поддерживая при этом шину I2C/SMBus более высокое напряжение 3,3 В для совместимости с устаревшими компонентами.
Микроконтроллеры Microchip PIC18-Q20 с MVIO поддерживают несколько протоколов связи, таких как I3C, SPI, I2C и UART, а также до трех независимых областей рабочего напряжения. Такая гибкость оказывается очень полезной в сложных сетевых средах, где устройства используют разные протоколы и напряжения, что позволяет разработчикам поддерживать существующие протоколы, обеспечивая при этом возможность расширения.
Вычислительная инфраструктура
Большинство не осознают, насколько сильно мы сейчас полагаемся на информацию, хранящуюся в центрах обработки данных, в нашей повседневной жизни. От проведения деловых и финансовых транзакций до просмотра страниц в Интернете, хранения файлов, работы в социальных сетях, участия в виртуальных встречах и использования цифровых развлечений — все эти действия выполняются компьютерами, расположенными в центрах обработки данных. Они обеспечивают безопасность, скорость доступа и постоянную доступность цифровых услуг.
Основой такого центра является блейд-сервер, то есть современный компьютер, предназначенный для максимальной эффективности использования пространства и оптимизации производительности сети. Из-за их критически важного характера некоторые системные задачи в каждом серверном шасси делегируются вторичному контроллеру. В то время как основной процессор занимается управлением основным потоком данных, вторичный контроллер повышает производительность сети. Он устанавливает дополнительный канал связи для контроля отдельных блейд-серверов и решает важные задачи, такие как мониторинг состояния системы, обнаружение неисправностей, обнаружение и настройка устройств, обновление программного обеспечения и выполнение диагностики, не нарушая работу основного процессора. Это обеспечивает бесперебойную и эффективную работу.
Управление этим побочным процессом служит важнейшим инструментом, который может значительно повысить надежность, доступность и производительность центров обработки данных.
SSD (твердотельные накопители) сегодня также широко используются в центрах обработки данных для хранения данных. Новейший формат стандартного форм-фактора предприятий и центров обработки данных SNIA (EDSFF) использует протокол I3C, действительный для связи с дополнительным контроллером боковой полосы, в качестве естественного обновления существующего протокола SMBus. I3C отвечает требованиям более высокой производительности, более высокой скорости передачи данных и большей энергоэффективности. Быстрая связь I3C позволяет быстрее управлять шиной и вносить изменения в конфигурацию, повышая оперативность системы.
Микроконтроллеры с гибкими функциональными возможностями, такие как семейство PIC18-Q20, особенно хорошо подходят для задач управления рабочей нагрузкой в центрах обработки данных. Имея до двух отдельных интерфейсов I3C, эти устройства могут легко подключаться к контроллеру SSD для задач управления системой, а также к контроллеру управления основной платой (BMC) через боковое соединение. Кроме того, благодаря встроенным устаревшим протоколам связи, таким как I2C/SMBus, SPI и UART, эти чипы являются идеальным решением как для текущих, так и для будущих конструкций твердотельных накопителей.
Подведем итоги
Протокол I3C стал ключевым элементом современных встраиваемых систем, играя важную роль в их развитии. Его усовершенствованные возможности передачи данных, сниженное энергопотребление и обратная совместимость делают I3C фундаментом для создания устройств Интернета вещей и вычислительных решений нового поколения. Благодаря оптимизации работы датчиков в IoT-устройствах и улучшению связности в центрах обработки данных, универсальность I3C при интеграции с микроконтроллерами обеспечивает надежную основу для развития будущих электронных систем. По мере совершенствования технологий I3C всё шире используется на практике, улучшая производительность, надежность и энергоэффективность.
