Transformer les communications de la puce et du système

Les smartphones, les appareils portables, les appareils Internet des objets (IoT) et autres produits connectés aux mobiles sont de plus en plus avancés et compliqués. Les concepteurs et les développeurs se retrouvent à travailler avec de plus en plus de périphériques disséminés autour d'une carte de circuit imprimé (PCB) ou d'autres systèmes. Les systèmes sont plus denses en capteurs et autres composants, et les processeurs d'application et/ou les concentrateurs de capteurs exigent davantage de leurs interfaces pour contrôler et transmettre des données vers/depuis eux.

La spécification d'interface MIPI I3C v1.1, annoncée le 15 janvier 2020, relie tous ces périphériques à un processeur d'application à des vitesses plus élevées qu'auparavant et avec une plus grande contrôlabilité, gérabilité et intégrité du système (Figure 1). L'utilisation extensible de voies de bus supplémentaires (simples, doubles ou quadruples) permet à I3C v1.1 d'atteindre un débit de données effectif proche de 100 Mbps sans nécessiter de complexité de mise en œuvre, de coût ou de cycles de développement supplémentaires. Et une gamme de nouvelles fonctionnalités choisies de manière stratégique améliore la fiabilité et la résilience globales du système.

Figure 1. Diagramme du système MIPI I3C (Alliance MIPI)

I3C v1.1 est idéal pour les implémenteurs de niveau système d'aujourd'hui à la recherche d'une solution de bus utilitaire standardisée et à faible coût avec de petites empreintes de silicium et de PCB et un écosystème bien défini et facilement disponible de périphériques, de capteurs et d'applications. De plus, c'est une solution d'avant-garde pour les concepteurs et les développeurs. MIPI I3C a été conçu pour s'adapter de manière transparente aux défis de la prochaine génération que présentent les appareils IoT, les smartphones, les appareils portables et autres produits connectés aux mobiles de demain.

Evolution des besoins d'intégration

Pour comprendre à quel point les nouvelles capacités d'I3C v1.1 sont puissantes et parfaitement synchronisées, il est important d'examiner le contexte de développement dans lequel elles ont été définies.

Il y a presque 40 ans, je ² C a transformé les communications à puce. Depuis l'invention du bus informatique série "Inter-Integrated Circuit" en 1982, pratiquement tous les fabricants de puces dans le monde ont adopté I ² C pour les communications à courte distance. Il est apparu au fil des ans comme une interface de facto pour connecter des périphériques à faible vitesse aux processeurs des systèmes électroniques.

Cependant, à l'ère actuelle de systèmes de plus en plus diversifiés, les limites du vénérable I ² C sont évidents. Il reste une ressource fonctionnelle, mais pas totalement fiable dans des configurations de produits plus complexes et à mesure que le besoin de vitesse a évolué. Les concepteurs et les développeurs se méfient des performances réelles pouvant être obtenues via I ² C. Ils pourraient cibler l'exploitation I ² C à 1 MHz, par exemple, mais lorsqu'il est implémenté dans un système complexe, la vitesse réelle qui peut être atteinte peut être ramenée à 400 KHz.

2017 a apporté une autre transformation. MIPI I3C a été introduit pour améliorer les fonctionnalités, les performances et l'utilisation de l'énergie d'I²C, tout en maintenant la rétrocompatibilité pour la plupart des appareils. Les industries qui créent des appareils IoT, des smartphones, des appareils portables et d'autres produits connectés aux mobiles se sont réunies via le groupe de travail MIPI I3C pour créer une spécification qui simplifierait davantage l'intégration de plus en plus de capteurs et d'autres périphériques dans de petits facteurs de forme à espace restreint. L'objectif était de résoudre les principaux problèmes rencontrés par de nombreux développeurs lorsqu'ils travaillaient avec I ² C et d'autres interfaces héritées telles que l'interface périphérique série (SPI) (Figure 2). 

Figure 2. Débits binaires des blocs de données MIPI I3C contre I2C FM+ en Mbps (horloge 12,5 Mhz) (MIPI Alliance)

La version 1.0 de MIPI I3C a établi une base de référence cruciale pour le nouveau protocole, et la spécification a été utilisée avec succès dans des applications telles que les accéléromètres, les actionneurs, le retour haptique, la détection infrarouge ou ultraviolette, les communications en champ proche, les caméras de temps de vol, le toucher écrans, transducteurs et capteurs à ultrasons. La nouvelle version 1.1 est la première mise à jour à s'appuyer sur la fondation MIPI I3C.

Déverrouillage de nouveaux espaces d'application

Le transport de données entre les hôtes et les appareils peut désormais s'effectuer sur plusieurs voies dans tous les modes d'I3C v1.1 (Figure 3), y compris le nouveau mode de transport en vrac, HDR-BT. L'extension de deux à trois fils, par exemple, double la vitesse de transport, réduisant ainsi le temps pendant lequel l'hôte est « éveillé » et attend pour traiter les données de l'appareil, et donc la consommation électrique du système. Et des augmentations de taux spectaculaires peuvent être obtenues à la convenance de l'implémenteur, sans nécessiter la mise en œuvre d'entrées/sorties plus générales (GPIO), de protocoles plus avancés ou de synchronisation plus rapide. Cela permet aux concepteurs et aux développeurs d'atteindre facilement et à moindre coût le ralentisseur dont ils ont besoin, avec les compromis qu'ils choisissent, pour les applications émergentes avancées telles que l'imagerie « always-on ».

Figure 3. Débits binaires effectifs multivoies MIPI I3C, en Mbps (MIPI Alliance)

De plus, la v1.1 offre une variété de nouvelles fonctionnalités clés :contrôle de flux complet, détection/récupération d'erreur améliorée, adressage groupé, transfert externe, réinitialisation d'esclave et capacités améliorées de code de commande commun (CCC). Implémenté sur une E/S standard à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) et utilisant une simple interface d'horloge et de données, MIPI I3C v1.1 permet à un processeur hôte d'être en mesure d'évaluer ce qui se passe dans les différents périphériques autour de l'un ou l'autre. un PCB ou un système. Par exemple, une compréhension et une responsabilité améliorées du système pour la chaleur, les performances, l'intégrité, la sécurité et d'autres attributs permettent à un contrôleur hôte de fonctionner avec une meilleure idée de ce qui se passe dans le monde réel du système global qu'il orchestre, et ce sont les types de tâches et d'appareils que MIPI I3C a été conçu pour regrouper. Alors que les interfaces héritées sont choisies pour des attributs particuliers (peut-être un débit de données, un faible nombre de broches et/ou une gestion de bus intégrée) puis reliées entre elles via des protocoles communs de niveau supérieur, MIPI I3C a été conçu pour offrir tous ces avantages. De cette façon, les systèmes peuvent migrer vers un nouveau bus commun, par opposition à une collection fragmentée.

De plus, la large applicabilité et l'attrait des nouvelles fonctionnalités déployées dans la v1.1 fonctionnent ensemble pour permettre à I3C d'être utilisé de toutes nouvelles manières. Nous pouvons voir des communications I3C à l'intérieur d'un système en package (SiP) ou entre différents grands systèmes pour alimenter des cas d'utilisation tels que le canal de bande latérale de mémoire DIMM5 (SDRAM), le contrôle de périphérique d'imagerie, la gestion de système de serveur, les communications d'application de débogage, la commande d'écran tactile et communications, ainsi que la commande, le contrôle et le transport de données des capteurs.

De plus, les fonctionnalités de la v1.1 rendent MIPI I3C plus susceptible de faire confiance aux développeurs et aux concepteurs dans le chemin critique des produits et positionnent l'interface pour suivre le rythme des demandes de bande passante des appareils émergents avec plus de capteurs et d'autres périphériques, tels que Caméras à 360 degrés, appareils industriels intelligents, robots et drones. Dans les appareils de périphérie IoT, I3C peut aider à réduire le nombre de broches d'interface nécessaires pour permettre des conceptions de boîtiers MCU plus petits et moins coûteux. Avec son transport de données plus élevé et plus efficace, I3C peut également réduire la consommation d'énergie, ce qui est précieux étant donné que de nombreux appareils IoT fonctionnent sur batterie et/ou à énergie nette zéro.

Parce que tant d'avancées que le groupe de travail MIPI I3C a permises dans la v1.1, telles qu'une capacité de réinitialisation d'esclave normalisée et une gestion des erreurs et un contrôle de flux améliorés, étaient liées aux inconvénients et au travail supplémentaire qui devait généralement être effectué pour obtenir ² C et SPI pour fonctionner, la communauté de développement est maintenant prête pour une migration à grande échelle vers I3C. La nouvelle version offre un chemin de mise à niveau robuste, adaptable et flexible à partir des interfaces héritées vieilles de plusieurs décennies.

Déjà au travail anticipant les exigences de demain

Avec MIPI I3C, les développeurs et les concepteurs des marchés mobiles et de plusieurs autres marchés, y compris l'automobile, les clients PC, les centres de données, les drones, l'industrie et l'IoT, peuvent tirer parti d'un écosystème bien soutenu, dynamique et en croissance qui est ancré et engagé dans interopérabilité. Des liaisons avec l'industrie se forment pour améliorer la gestion et la sécurité du système. Par exemple, la JEDEC Solid State Technology Association a collaboré avec MIPI au développement du nouveau module SidebandBus 1.0v JEDEC, un sur-ensemble du bus de base MIPI I3C.

Cet écosystème MIPI I3C est la base sur laquelle le prochain cycle d'innovation dans les communications des puces et des systèmes sera mis en mouvement. Les entreprises sont encouragées à s'engager dans le cadre des ateliers d'interopérabilité et des activités de développement de spécifications de MIPI Alliance.

Alors, quelle est la prochaine étape pour I3C ?

Le groupe de travail MIPI I3C s'efforce de garantir que l'ensemble des fonctionnalités et la portée de la spécification restent pertinents. Des discussions sont déjà en cours sur les capacités améliorées (portée plus longue, diverses améliorations, exigences automobiles, augmentations de vitesse, nouvelles utilisations multivoies, connecteurs standardisés et autres améliorations de fonctionnalités) que la prochaine version de MIPI I3C pourrait exiger.