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Microchip Technology

Embedded-Systeme mit I3C verbessern

10. April 2025, 8:30 Uhr | Stephenie Pinteric & Ulises Iniguez, beide bei Microchip Technology

In der modernen Elektronik werden Embedded-Systeme immer komplexer und enthalten eine Vielzahl von Sensoren und Komponenten – und das gilt für viele Anwendungen wie IoT, Computing, Wearables und sicherheitsrelevante Anwendungen – I3C hilft, diese Anforderungen umzusetzen.

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Um den wachsenden Anforderungen dieser Märkte gerecht zu werden, hat die MIPI Alliance die »Improved-Inter-Integrated-Circuit«-Schnittstelle, kurz I3C, entwickelt. Diese serielle Kommunikationsschnittstelle verbessert die Datenübertragung zwischen elektronischen Komponenten erheblich, indem sie schnellere Kommunikationsraten, einen geringeren Stromverbrauch und mehr Designflexibilität bietet.

Mikrocontroller (MCUs) sind ein entscheidender Bestandteil eines Embedded-Systems und steuern Anwendungsfunktionen wie Sensorsignalerfassung und Regelung. Dieser Beitrag beschreibt mehrere Anwendungen, die eine MCU mit einer I3C-Schnittstelle nutzen und so einen robusten Upgrade-Pfad und Kompatibilität zu I2C- und SPI-Implementierungen bieten.

I3C und IoT-Anwendungen

Das Internet der Dinge (IoT) berührt nahezu jeden Aspekt unseres Alltags, von Haushaltsgeräten über die komplexe Gebäudeautomation bis hin zu tragbaren Geräten. Diese vernetzten Geräte erfassen und tauschen Daten aus und prägen so unser digitales Ökosystem. In IoT-Geräten spielen verschiedene Arten von Sensoren eine zentrale Rolle, da sie wichtige physikalische Eigenschaften wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Entfernung messen, überwachen und weiterleiten.

Das I3C-Protokoll bietet mehrere Vorteile für vernetzte Sensorknoten. Es ermöglicht eine schnelle Kommunikation mit Taktfrequenzen bis zu 12,5 MHz im Single-Data-Rate-Modus (SDR). Es unterstützt auch »In-Band-Interrupts« und eine dynamische Adressierung. Bei einer dynamischen Adressierung weist ein zentraler Controller jedem angeschlossenen Gerät eine eindeutige Adresse zu um Adresskonflikte zu vermeiden. Im Vergleich zum Vorgänger I2C zeichnet sich I3C durch höhere Geschwindigkeiten, eine einfachere 2-Draht-Schnittstelle und eine effizientere Protokollstruktur aus. I3C arbeitet auch mit niedrigeren Spannungen, was die Leistungsaufnahme reduziert. Damit eignet sich I3C ideal für die effiziente Verwaltung mehrerer Sensorknoten in einem verbundenen Netzwerk.

Die Integration einer kostengünstigen MCU mit I3C-Peripherie in IoT-Sensorknoten als analoger »Aggregator« verbessert die Funktion und Effizienz des gesamten Sensornetzwerks. Dabei wandelt der integrierte A/D-Wandler (ADC) der MCU die Messwerte mehrerer analoger Sensoren in digitale Werte um. Diese werden dann im internen Speicher der MCU für weitere Analysen gespeichert oder für eine effizientere Übertragung organisiert. Die aggregierten Sensordaten werden in für die Systemeffizienz optimierten Intervallen über den I3C-Bus an den Haupt-Controller übertragen.

Der wesentliche Vorteil von I3C in sensorbasierten Systemen besteht darin, dass sich im Vergleich zu alternativen Kommunikationsschnittstellen die Komplexität der Komponenten, die Kosten und die Leistungsaufnahme durch die geringere Anzahl an Pins und Verdrahtungen minimieren. Für Entwickler im anspruchsvollen IoT-Markt erweist sich eine kompakte MCU mit I3C-Schnittstelle als unverzichtbare Lösung, um die Entwicklung erfolgreicher, marktgerechter IoT-Geräte zu vereinfachen.

Mehrere Protokolle und Spannungen in Embedded-Systemen

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Da die technischen Anforderungen steigen, stehen Entwickler von Embedded-Systemen vor zunehmenden Herausforderungen bei der Abwärtskompatibilität. Diese ist entscheidend, um Embedded-Systeme schrittweise zu aktualisieren, anstatt sie komplett neu zu entwickeln. Um den Übergang auf I3C zu erleichtern, behebt das neue Kommunikationsprotokoll die Einschränkungen von I2C und SMBus- nutzt dabei aber dieselben beiden Pins für Takt und Daten wie bei I2C, um eine Kompatibilität zu ermöglichen.

Obwohl I3C grundsätzlich abwärtskompatibel zu I2C- und SMBus-Protokollen ist, kann deren Anwesenheit auf dem Bus die Gesamtleistung deutlich beeinträchtigen. Selbst wenn der Controller auf den effizienten Betrieb mit I3C-Bausteinen ausgelegt ist, muss er sich in solchen Fällen den Limitierungen der älteren Bausteine anpassen.

Um dieses Problem zu lösen, kann eine MCU mit einem I3C-Modul als Brücke (Bridge) dienen, die I2C-/SMBus-Targets vom »reinen« I3C-Bus isoliert. Dadurch bleibt die Integrität des I3C-Busses erhalten, sodass der I3C-Hauptcontroller über die Bridge-MCU mit I2C-/SPI-Geräten kommunizieren kann. Zudem kann die MCU Interrupts von I2C-/SMBus-Bausteinen konsolidieren und sie über In-Band-Interrupts an den I3C-Hauptcontroller übertragen, ohne dass zusätzliche Pins oder Signale erforderlich sind.

Embedded-Systeme umfassen verschiedene Komponenten wie MCUs, Sensoren und andere Bauelemente. Oft müssen diese miteinander verbunden werden, obwohl sie in unterschiedlichen Spannungsbereichen arbeiten. Analoge Sensoren benötigen typischerweise 5 V, während Kommunikationsprotokolle wie I2C und SMBus 3,3 V erfordern. Der I3C-Bus kann sogar mit 1 V betrieben werden, um den Anforderungen moderner schneller Prozessoren gerecht zu werden.

MCUs mit einer MVIO-Funktion (Multi-Voltage-I/O) beheben Spannungsinkompatibilität und erübrigen Pegelwandler. Diese Funktion ermöglicht es, I3C- und I2C-/SMBus-Busse gleichzeitig mit unterschiedlichen Spannungen zu betreiben. So kann eine MCU den I3C-Bus mit 1 V betreiben, während der I2C-/SMBus-Bus aus Kompatibilitätsgründen mit älteren Komponenten auf einem höheren Wert von 3,3 V gehalten wird.

Die MCUs PIC18-Q20 von Microchip unterstützen MVIO, bieten mehrere Kommunikationsprotokolle wie I3C, SPI, I2C und UART sowie bis zu drei unabhängige Betriebsspannungsbereiche. Diese Flexibilität erweist sich in komplexen Netzwerkumgebungen mit unterschiedlichen Protokollen und Spannungen als äußerst vorteilhaft. Entwickler von Embedded-Systemen können so bestehende Protokolle beibehalten und ihre Designs zukunftssicher gestalten.

Moderne Rechnerinfrastruktur

Die meisten unterschätzen, wie sehr wir uns in unserem digitalen Alltag auf Rechenzentren verlassen. Von der Abwicklung von Geschäfts- und Finanztransaktionen über das Surfen im Internet, das Speichern von Daten, die Nutzung sozialer Netzwerke, die Teilnahme an virtuellen Meetings bis hin zur digitalen Unterhaltung – all diese Aktivitäten werden durch Rechenzentren ermöglicht. Sie sorgen dafür, dass unsere Daten sicher sind, unser Internet schnell ist und unsere digitalen Dienste immer verfügbar sind.

Das Herz des Rechenzentrums ist der moderne Blade-Server – ein hochmoderner Rechner, der für maximale Platzeffizienz und optimierte Netzwerkleistung in großem Maßstab ausgelegt ist. Aufgrund ihrer zentralen Funktion werden bestimmte Systemaufgaben innerhalb jedes Servergehäuses an einen Sideband-Controller delegiert. Während sich die Hauptverarbeitungseinheit auf die Verwaltung des primären Datenflusses konzentriert, verbessert der Sideband-Controller die Netzwerkleistung. Er richtet einen sekundären Kommunikationskanal ein, um einzelne Server-Blades zu überwachen und übernimmt wichtige Aufgaben wie die Überwachung des Systemzustands, Fehlererkennung, Erkennung und Konfiguration von Geräten, Aktualisierung der Firmware und Durchführung von Diagnosen, ohne den Hauptprozessor zu unterbrechen. Dies gewährleistet einen reibungslosen und effizienten Betrieb. Sideband-Management ist ein wichtiges Instrument, um die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Effizienz von Rechenzentren erheblich zu verbessern.

Solid State Drives (SSDs) werden auch häufig in Rechenzentren eingesetzt, um Daten zu speichern und schnell darauf zuzugreifen. Der neueste SSD-Formfaktor EDSFF (SNIA Enterprise and Datacenter Standard Form Factor) hat das I3C-Protokoll für die Sideband-Kommunikation als konsequente Weiterentwicklung des bestehenden SMBus-Protokolls übernommen. I3C erfüllt die Anforderungen an mehr Leistungsfähigkeit, höhere Datenübertragungsraten und verbesserte Energieeffizienz. Die Hochgeschwindigkeitskommunikation von I3C ermöglicht ein schnelleres Busmanagement und Konfigurationsänderungen, um so die Reaktionsfähigkeit des Systems zu verbessern.

Flexible MCUs wie die Serie PIC18-Q20 eignen sich besonders gut für Systemverwaltungsaufgaben in Rechenzentren und Enterprise-Umgebungen. Mit bis zu zwei unabhängigen I3C-Schnittstellen lassen sich die MCUs einfach mit einem SSD-Controller verbinden, um Systemmanagement-Aufgaben zu übernehmen – ebenso wie mit einem Baseboard-Management-Controller (BMC) über eine Sideband-Verbindung. Darüber hinaus bieten sie mit ihren integrierten älteren Kommunikationsprotokollen wie I2C/SMBus, SPI und UART eine ideale Lösung für SSD-Designs der aktuellen und nächsten Generation.

Bild Dank integrierter Schnittstellen wie I2C/SMBus, SPI und UART eignen sich diese Bausteine ideal für aktuelle und zukünftige SSD-Designs.

Fazit

Die Integration des I3C-Protokolls hat sich in Embedded-Systemen als sehr vorteilhaft erwiesen. Verbesserte Kommunikationsfähigkeiten, geringere Leistungsaufnahme und Kompatibilität mit bestehenden Protokollen machen I3C zu einem Eckpfeiler für kommende IoT- und Computing-Anwendungen. Durch optimierte Sensorfunktionen in IoT-Geräten und schnellere Kommunikation in Rechenzentren bietet die Vielseitigkeit von I3C, integriert in MCUs, eine solide Grundlage für den sich entwickelnden Elektronikmarkt. Mit dem technischen Fortschritt setzt sich I3C immer weiter durch und verbessert die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz in vielen Elektronikanwendungen.