Einfachere Integration von Geräten
»I3C hat Probleme von I²C beseitigt«
Die MIPI-I3C- ist als Nachfolgerin der I²C-Schnittstelle konzipiert. Sie vereint deren wichtigste Eigenschaften und die des SPI-Bus zu einer integrierten, leistungsstarken Schnittstelle mit geringem Stromverbrauch und bietet zugleich einen robusten, flexiblen Upgrade-Pfad für Implementierer.
MIPI I3C unterstützt die einfache und kosteneffiziente Anbindung von Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren, Steuerungen und einfachen UI-Komponenten an Anwendungsprozessoren. Die Bandbreite der Produkte für solche Prozessoren reicht von Smartphones über Wearables bis hin zu Systemen in Automobilen und Serverumgebungen.
Von der MIPI Alliance konzipiert, wurde MIPI I3C im Jahr 2016 erstmals veröffentlicht. Die Schnittstelle ist in zwei Versionen erhältlich: die vollständige I3C-Spezifikation, die Mitgliedern der MIPI Alliance zur Verfügung steht, und die lizenzgebührenfreie I3C-Basic-Version, die die von Entwicklern und anderen Standardisierungs-Organisationen am häufigsten benötigten Funktionen in einer öffentlich verfügbaren Version bündelt und zum Download auf der MIPI-Website www.mipi.org bereitsteht.
Im Interview gibt Michele Scarlatella, IoT Technical Consultant der MIPI Alliance, einen Überblick über die Spezifikation und einen Einblick in das wachsende Ecosystem.
Markt&Technik: Inwieweit lässt sich I3C als Nachfolger von I²C betrachten?
Michele Scarlatella: Wie der Name – eine Abkürzung für »Improved Inter Integrated Circuit« – schon verrät, wurde MIPI I3C von Anfang an als branchenweites Gemeinschaftsprojekt entwickelt, um viele der langjährigen Probleme bei der I²C-Implementierung zu lösen. I²C ist nun mehr als vier Jahrzehnte alt und wird durch die jüngsten Trends in der Kommunikation zunehmend überholt.
Die Anforderungen an die Bandbreite steigen, es wird eine immer stärkere Miniaturisierung erforderlich und die Geräte sollen weniger Strom verbrauchen. Zudem führt der Betrieb gleichartiger Geräte auf demselben I²C-Bus zu Komplikationen, die häufig mehrere I²C-Busse pro Controller erforderlich machen. MIPI hat I3C speziell entwickelt, um diese Probleme zu lösen und zugleich die Abwärtskompatibilität mit I²C aufrechtzuerhalten sowie um die gleichzeitige Verwendung von I²C- und I3C-Komponenten in einem Gerät zu ermöglichen.
Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen den Schnittstellen I²C und I3C?
Stark vereinfacht ausgedrückt ist MIPI I3C schneller und benötigt weniger Strom als I²C. Bei sehr geringen Hardware-Anforderungen bietet I3C High-Speed-Kommunikation mit einer mindestens zehnfachen Leistungssteigerung im Vergleich zur I²C-Kommunikation. I3C bietet die Möglichkeit, einen 12,5-MHz-Basistakt zu verwenden und eine Standard-Datenrate von 11 Mbit/s oder bis zu 33 Mbit/s in den Kommunikationsmodi mit hoher Datenrate zu erreichen. Darüber hinaus bietet die I3C-Zweidraht-Kommunikation den Entwicklern die Option einer Multilane-Konfiguration für Daten, also eine erhöhte Datenrate, um bei Bedarf einen höheren Durchsatz zu ermöglichen. Die Multilane-Option ist als ähnliche Konfiguration wie die bisherige Dual- und Quad-SPI konzipiert, jedoch mit den zusätzlichen Funktionen von I3C. Die Verwendung des 12,5-MHz-Basistakts ermöglicht eine Methode, bei der die Zielgeräte den Basistakt nicht erhöhen müssen, um höhere Datendurchsätze zu erreichen, und bietet zugleich Vorteile in Bezug auf geringeren Stromverbrauch und elektromagnetische Interferenz (EMI).
Der Stromverbrauch pro Bit-Übertragung ist in allen I3C-Modi effizienter als bei I²C, und I3C kann je nach Konfiguration den für die Übertragung von einem Kilobyte erforderlichen Energieverbrauch im Vergleich zu I²C um das 5- bis 18-Fache senken. Grund dafür sind beispielsweise Faktoren wie die Verwendung von Push-Pull- (versus Open-Drain-) und von starken Pull-up-Widerständen.
Geräte, die Sensoren verwenden, haben meist einen hohen Stromverbrauch, weil die Sensoren ständig abgefragt werden müssen, wobei jeder Zyklus zwischen Sensor und Prozessor Energie verbraucht. I²C bewerkstelligt diese Aufgabe durch »Polling«, d. h. durch ständiges Überprüfen und erneutes Überprüfen der Sensormesswerte, wobei das gesamte System während dieses Prozesses mit Strom versorgt werden muss. Alternativ könnte ein Systementwickler ein zusätzliches Kabel für diese Aufgabe verwenden. Aber das bedeutet zusätzliche Komplexität, und außerdem ist das Kabel nicht immer an den Sensoren angeschlossen.
Bei I3C dagegen wird das System nur im Falle von Ereignissen »aufgeweckt«, die Aufmerksamkeit erfordern – etwa bei Unterbrechungen, sogenannten In-Band-Interrupts. Dies trägt wesentlich zur überlegenen Energieeffizienz von I3C im Vergleich zu I²C bei.
Gibt es noch andere wichtige Merkmale? Sie haben erwähnt, dass I3C auch Eigenschaften von SPI enthält. Welche Vorteile hat I3C gegenüber SPI?
Auch hier hat MIPI I3C viele der mit der I²C-Implementierung verbundenen Schwierigkeiten beseitigt und zugleich eine Reihe von Busmanagement-Funktionen eingeführt, die in den anderen Schnittstellen nicht vorhanden sind. Dies vereinfacht das Design und die Entwicklung fortschrittlicher Produkte erheblich, die eine große Anzahl von Zielgeräten enthalten. So ermöglicht I3C beispielsweise eine dynamische Adressierung, um Geräte nach Funktion und nicht nach einer festen, herstellerdefinierten Binäradresse zu verwalten. Buskonfiguration, anpassbare Geschwindigkeitskonfiguration, Schutz der Datenintegrität und die erwähnten In-Band-Interrupts sind nur einige der nützlichen Features, die I3C möglich macht.
Speziell für SPI sind vier Leitungen erforderlich, und es gibt mehrere unterschiedliche Ausführungen. Dies liegt daran, dass es keinen festgelegten SPI-Standard gibt. In einer der gängigsten Konfigurationen erfordert SPI eine zusätzliche Datenleitung zur Ansteuerung (oder zur Aktivierung) des Chips für jedes zusätzliche Gerät am Bus, und diese Geräte lassen sich dann in einer Daisy-Chain-Konfiguration anschließen. Dies kann für Systementwickler in Bezug auf die für SPI erforderlichen Pins und Leitungen sowie den Stromverbrauch schnell kostspielig werden. Außerdem deckt I3C den überwiegenden Teil des SPI-Geschwindigkeitsspektrums ab, auch wenn es nicht für die höchsten Geschwindigkeitsstufen für Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen ausgelegt ist wie etwa bei SPI Flash.
Für welche Anwendungen ist I3C denn speziell ausgelegt?
I3C wurde ursprünglich als einheitliche Schnittstelle in mobilen Anwendungen entwickelt, die sich für alle Sensoren mit digitaler Schnittstelle verwenden lässt. Mit seinen zusätzlichen Fähigkeiten eignet es sich nun jedoch für alle Mid-Speed-, Embedded- und Deep-Embedded-Anwendungen, einschließlich
- Befehls-, Steuerungs- und Datentransport für Sensorgeräte,
- Memory-Sideband-Kanal,
- Debug-Anwendungskommunikation,
- »Always-on«-Bildgebung,
- Server-Systemverwaltung,
- Touchscreen-Steuerung und Kommunikation und
- Energiemanagement.
In welchen Anwendungen und Branchen ist I3C derzeit am weitesten verbreitet?
Die Schnittstelle eignet sich besonders gut für den Memory-Sideband-Channel und das Systemmanagement von Servern, um die Weiterentwicklung von Motherboards für Rechenzentren zu unterstützen. Wir erwarten einen zunehmenden Einsatz in der Mobilkommunikation und später auch in der Automobilindustrie und in industriellen Anwendungen.
- »I3C hat Probleme von I²C beseitigt«
- Erhebliche Energieeinsparungen möglich
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