I3C (Improved Inter Integrated Circuit) Bus

I3C (Improved Inter Integrated Circuit) ist auch unter MIPI I3C und als SenseWire bekannt. I3C ist der neue Industriestandard für serielle Multidrop-Datenbusse. I3C wurde in Zusammenarbeit zwischen Elektronik- und Computerunternehmen mit der Mobile Industry Processor Interface Alliance (MIPI Alliance) im Jahre 2016 veröffentlicht. I3C fügt eine beträchtliche Anzahl von Systemschnittstellenfunktionen hinzu und behält gleichzeitig die Aufwärtskompatibilität mit vorhandenen I²C-Slave-Geräten bei, während native I3C-Geräte ähnlich wie SPI (Serial Peripheral Interface) höhere Datenraten unterstützen. Mit I3C können ein oder mehrere Master-Geräte über den Bus mit einem oder mehreren Slaves verbunden werden. Prodigy Technovations bietet als einer der ersten Hersteller hierfür einen I3C Protokollanalyzer an.

Warum ein neuer Standard?

I3C war ursprünglich als die einzige Schnittstelle für alle digital angeschlossenen Sensoren, die in einer mobilen Applikation verwendet werden, gedacht. Der Bus ist aber auch für alle Embedded Anwendungen mit mittlerer und höherer Geschwindigkeit geieignet die Sensoren, Leistungsregler, Aktoren, MCUs und FPGAs einsetzen. I3C setzt auf die Merkmale und Vorzüge von I2C auf und verbessert diese, behält aber gleichzeitig die Abwärtskompatibilität bei. Die Schnittstelle ist für viele Anwendungen nützlich, da sie eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung bei sehr geringen Leistungspegeln bietet und gleichzeitig einen Multi-Drop zwischen dem Host-Prozessor und den Peripheriegeräten ermöglicht, was für jedes eingebettete System äußerst wünschenswert ist.

Ziele für I3C von der mipi-Allianz:

Die Sensorkommunikation zu standardisieren,
Die Anzahl der bei der Integration von Sensorsystemen verwendeten physischen Pins zu verringern
Unterstützung von geringem Stromverbrauch, hoher Geschwindigkeit und anderen kritischen Funktionen, die derzeit von I²C und SPI abgedeckt werden

I3C die Weiterentwicklung von I²C

I²C (Inter-Integrated Circuit) wurde 1982 entwickelt und ist ein serieller synchroner Zweidraht-Bus. Er ist derzeitig noch der Industriestandard für Überwachungs-, Diagnose- und Steuerungslösungen in vielen Embedded-Applikationen. I2C ist einfach zu Implementieren, hat niedrige Kosten und ist im High Speed Mode (Hs-mode) bis zu 3,4 MBit/s schnell. I2C ist ein echter bidirektionaler Zweidraht-Bus in einer Master/Slave Architektur mit einer Software Adressierung und integriertem Übertragungsprotokoll. Er erfordert nur eine Taktleitung SCL (Serial Clock Line) und eine Datenleitung SDA (Serial Data Line).

Das bedeutet dass ein Microcontroller mehrere Chips mit nur zwei I/O Pins und einfacher Software steuern kann. Ursprünglich wurde der I2C-Bus für Interaktionen zwischen einigen wenigen ICs entwickelt, die auf derselben Platine montiert waren, etwa zur Steuerung der Abstimmung von TV-Geräten oder Radios.

Die große Anzahl von Sensoren in den Mobilgeräten erfordert bei den Anwendungsprozessoren und Sensor-Hubs eine erhöhte Anzahl von Logikpins, die für die Sensorkommunikation und -steuerung verwendet werden müssen. In einer typischen Applikation werden mehrere digitale Kommunikationsschnittstellen zusammen mit unterstützenden Logikleitungen für dedizierte Interrupt- und Sleep-Signale verwendet. Heutzutage sind in Handys bereits mehr als 10 Sensoren verbaut. Ein kritischer Punkt wird erreicht sein wenn 20 oder mehr Logiksignale erforderlich sind.

I2C weist z.B. noch weitere Defizite auf:

Die Sensor-Slaves sind nicht fähig eine Kommunikation einzuleiten
Das Overhead-Protokoll reduziert den Durchsatz
Die Pull-Widerstände begrenzen die Taktgeschwindigkeit und erhöhen die Verlustleistung

I3C im Vergleich zu anderen digitale Schnittstellen

Wenn große Datenmengen übertragen werden müssen ist ein weiterer de-facto Standard die Schnittstelle SPI (Serial Peripheral Interface). SPI benötigt vier Kommunikationsleitungen:

Die Serial Clock (SCLK |SCK) wird vom Master zur Synchronisation ausgegeben
Die Master Output, Slave Input (MOSI |SIMO)
Die Master Input, Slave Output (MISO | SOMI)
Eine oder mehrere mit logisch-0 aktive Chip-Select-Leitungen. Diese werden vom Master gesteuert. Normalerweise gibt es eine Leitung pro Slave. (SS Slave Select | CS Chip Select | STE Slave Transmit Enable STE | CE Chip Enabler)

Viele Eigenschaften sind im SPI Standard nicht klar definiert. Deswegen sind viele Einstellungen erforderlich und dadurch kommt es immer wieder zu zueinander verschiedenen inkompatiblen Geräten.

Mit I3C gibt es eine einheitliche Methode für die Anbindung der unterschiedlichen Sensoren. Dies verhindert Integrationsprobleme, da die Entwickler nicht mehr mit der Fragmentierung der digitalen Schnitstellen (I2C, SPI, UART,...) konfrontiert sind.

Was zeichnet den I3C Bus gegenüber dem I2C Bus aus?

Energiesparendes und platzsparendes Design für mobile Geräte (Smartphones und IoT-Geräte).
Zweipolige Schnittstelle, die eine Obermenge des I2C-Standards ist. An den neueren Bus können ältere I2C-Slave-Geräte angeschlossen werden.
In-Band-Interrupts über den seriellen Bus, anstatt der Erfordernis separater Pins.
Standard Data Rate (SDR) Durchsatz von bis zu 12,5 Mbit / s bei Verwendung von CMOS-E / A-Pegeln
HDR-Modi (High Data Rate) ermöglichen einen mit SPI vergleichbaren Durchsatz, erfordern jedoch nur einen Bruchteil der I2C-Schnellmodusleistung.
Ein standardisierter Satz allgemeiner Befehlscodes
Unterstützung für Befehlswarteschlangen
Fehlererkennung und -wiederherstellung (Paritätsprüfung im SDR-Modus und 5-Bit-CRC für HDR-Modi)
Dynamische Adresszuweisung (DAA) für I3C-Slaves, unterstützt jedoch weiterhin statische Adressen für ältere I2C-Geräte
Hot-Join (einige Geräte am Bus können während des Betriebs ein- und ausgeschaltet werden)
Multi-Master-Betrieb mit klar definierter Übergabe
Auf einem I3C-Bus im Standardmodus (SDR) können vier verschiedene Geräteklassen unterstützt werden

I2C / I3C Host Adapter und Protokoll Analysatoren

Die PGY-I3C-EX-PD Serie ist die weltweit führende Lösung für das testen von I3C Designs. Die Geräte der PGY-I3C-EX-PD Serie können als Master oder Slave konfiguriert werden, den I3C-Datenverkehr mit Fehlerinjektionen generieren und die Pakete des I3C Protokolls dekodieren.

Die I3C Analyzer und Exerciser Serie von Prodigy umfasst eine Lite-Version und eine Vollversion mit vollem Funktionsumfang sowie maximaler Hardwareleistung.