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低速串行接口“一哥”——浅谈MIPI I3C®接口及其SSD应用
发布时间：2024-02-23 文章来源：365完美体育app最新版网址
从传统的SATA到如今占据主流的PCIe，高速接口协议的升级迭代使得SSD性能成倍增长。而I2C、SPI等低速接口虽然不适合现代SSD中主存储的高速数据传输，但结构简单、低成本等优点使它们在SSD管理、控制和配置方面仍然发挥着重要作用。
随着大数据，云计算技术的进步，计算和存储系统日益复杂。新一代的SSD需要更先进的协议来满足对更高性能、更快数据传输速率和更低功耗等各方面改进的需求。在这样的背景下，一种极具优势的协议MIPI I3C®正在受到行业的关注……
MIPI I3C® — 下一代串行通信接口
上世纪80年代，飞利浦公司着手研发了I2C接口用于集成芯片间的互联，并在信息传输领域广泛运用至今。但随着电子设备的复杂度提升和应用的多样性扩展，I2C的局限性也越发明显。
尽管经历了三次版本的升级，I2C的速度从10Kbps提高到了最大5Mbps，但仍无法满足如今应用对高传输速率的需求。行业曾尝试使用SPI来解决速度瓶颈问题，但是SPI本身也有引脚多，缺少明确定义标准等缺陷。
人们在追求性能的同时，功耗带来的问题也日渐突显，I2C等传统接口在设计之初并未考虑低功耗设计，无法满足诸如IOT设备的功耗要求。
此外，边带信号在复杂集成设备中带来的问题也越来越多，这也是传统总线普遍存在的缺陷之一，即随着设备数量的增加，需要增加对应的GPIO来覆盖设备中断，睡眠和复位等信号。
MIPI为了解决多设备集成以及使用I2C，SPI等传统总线遇到的问题，在I2C的基础上开发了新一代快速、低功耗和可管理的双线数字接口，命名MIPI I3C® — Improved I2C，不仅解决了上述典型问题，还在互操作性、总线管理、错误检测和处理能力上带来创新，并保持对传统I2C的向后兼容性，以帮助其过渡和发展。
MIPI I3C®的特点和优势
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MIPI I3C®时钟频率高达12.5MHz，支持多达四种速度模式，每种模式下的带宽逐渐递增，实际数据传输速率从SDR模式的11Mbps到HDR-TSP模式下的超30Mbps，较I2C普遍的传输速度相比有了数量级的提升。
在SSD设计中，为了确保SSD内部的高速数据传输，负责其组件之间的配置、总线管理等的内部通信的速率提升也至关重要。通过利用I3C的速率优势，SSD可以实现更好的读写性能，减少延迟并提高系统响应能力。
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I2C接口采用Open-Drain的电路结构需要在总线上增加上拉电阻，这些电阻会带来相当多的功耗。
MIPI I3C®集成了Push-Pull设计，在接口速率提升的同时也大幅降低了接口功耗。
同时，MIPI I3C®增加了高级电源管理功能，包括低功耗模式和动态电压缩放。I3C控制器可以通过发送特定的通用命令字（Common Command Code）来通知目标设备关于总线接下来的活动状态，以便目标设备可以更好的管理其内部状态，并且I3C允许控制器和目标设备之间有更精确的电源模式控制。
I3C接口支持在多种额定电压下工作，包括常见的1.2V、1.8V和3.3V，并且在特定系统中可以扩展到低于1.2V和高达5V，例如I3C接口在针对DDR5的Serial Presence Detect（SPD）应用场景下提供1.0V的标称工作电压和100PF的电容负载。
此外，I3C支持带内中断和触发功能，使设备能够进入睡眠或待机模式，从而降低整体系统功耗。这些功能有助于SSD根据工作负载优化功耗平衡，实现性能和功耗的最佳融合，从而改善整体用户体验。
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笔记本电脑和手机等移动设备都对SSD的外形尺寸有要求，MIPI I3C®采用了multi-drop总线架构，以更少的物理引脚和连线连接多个设备，这些引脚数量的减少提供了更浓缩布局的优势，为控制器上的关键组件释放了宝贵的空间，SSD制造商也可以开发更小、更薄的设备。
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MIPI I3C®完善了设备角色定义，总线在同一时刻只允许一个控制器存在，避免了I2C总线上的多主机冲突，也简化了I3C接口的设计实现。
MIPI I3C®新增错误检测机制，使得I3C目标设备或控制器能时刻监测总线状态并主动从异常情况下恢复，避免了总线卡死的情况。
此外I3C还支持动态地址分配和热插拔功能，增加了系统扩展性和灵活度。MIPI I3C®对于I2C的向后兼容性，使得I3C组件能无缝集成到现有的系统和设备中。
MIPI I3C®在SSD中的应用
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在SSD中可能会集成MCU、电源管理芯片和温度电压传感器等，使用MIPI I3C®来连接这些芯片和传感器可以令SSD更智能地进行自我监控和管理，并且相较I2C效率更高，连线更少。
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MIPI I3C®的速度可以媲美SPI，在SSD中可以用来进行固件更新和升级，同时减少对设备的干扰。
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在服务器或数据中心环境，基板管理控制器（BMC）使用MCTP协议与其他管理控制器/设备进行通信。MCTP是一个独立于传输媒介的协议，其底层通信协议支持I3C和SMBUS绑定，而SMBUS作为I2C的子集，为系统管理带来了很多的局限性。MIPI I3C®的使用可以作为SMBUS/I2C的自然升级。
参考文献：
1.MIPI I3C Basic Specification (Improved Inter Integrated Circuit) Specification Version 1.1.1
2.Overcoming SMBus limitation with I3C
3.The Role of MIPI I3C® Protocol in SSDs: What Makes It a Preferred Choice?
4.什么是I3C总线？它和I2C和SMBus是什么关系？
5.I3C标准360°无死角解读
京公网安备 11010802038911号