Pozvedněte vestavné systémy. Pomůže rozhraní I3C

Vestavné systémy jsou v současné elektronice stále složitější a pro spoustu aplikací, mezi které patří IoT, výpočetní technika, nositelná elektronika či zařízení, kladoucí důraz na zabezpečení, zahrnují různé součástky nebo i snímače. Abychom ve zmíněných oblastech vyhověli rostoucím požadavkům, vyvinula MIPI Alliance rozhraní Improved Inter-Integrated Circuit^® (I3C). Jedná se o moderní rozhraní pro sériový přenos dat, umožňující výrazný pokrok v otázce vzájemné komunikace mezi elektronickými součástkami z titulu vyšších rychlostí, menší spotřeby energie a také rostoucí flexibility návrhu. K řízení funkcí dané aplikace, jako je získávání dat ze snímačů nebo řízení v uzavřené smyčce, slouží mikrokontroléry (MCU) coby klíčový prvek vestavného systému. V článku se zaměříme na několik aplikací, které mohou těžit z MCU s komunikačním rozhraním I3C, kde také zajistíme „festovní“ zlepšení a kompatibilitu s návrhy, využívajícími I2C či SPI.

I3C a IoT

Internet věcí (IoT) se dotýká prakticky všech stránek našeho každodenního života – od zařízení, používaných v domácnosti až po sofistikovanou automatizaci budov a nositelnou elektroniku. Tato vzájemně propojená zařízení shromažďují data, která si mezi sebou vzájemně i vyměňují, což v podstatě definuje náš digitální ekosystém. Klíčovou roli u zařízení IoT hrají různé typy senzorů pro měření, monitorování a další přenos rozhodujících fyzických atributů typu teploty, vlhkosti, tlaku nebo např. vzdálenosti. Protokol I3C nabízí pro čidla připojená do sítě několik výhod. Umožňuje vysokorychlostní komunikaci – až 12,5 MHz v režimu SDR (Single Data Rate). Podporuje zde rovněž přerušení (in-band) a dynamické adresování. V případě dynamického adresování přiřazuje hlavní kontrolér jedinečné adresy každému připojenému prvku a zamezuje tím vzniku konfliktů. Ve srovnání s předchozím I2C se rozhraní I3C pyšní většími rychlostmi, jednodušším dvoudrátovým rozhraním, efektivnější strukturou protokolu a také činností při nižších napětích, což snižuje výkonovou spotřebu. Díky zmíněnému pokroku se bude I3C v rámci dané sítě skvěle hodit k efektivní správě většího počtu senzorů.

Jestliže do řešení senzorů v rámci IoT zahrneme levný mikrokontrolér s integrovanými perifériemi I3C, může coby analogový „agregátor“ rozšířit možnosti a také účinnost celé sítě čidel. Vestavěný analogově – číslicový převodník (ADC) bude u MCU v takovém případě sloužit k převodu odečtů z různých analogových snímačů na digitální hodnoty. Zmíněné číslicové výstupy pak lze uložit v interní paměti MCU k další analýze nebo je vhodně uspořádat za účelem efektivnějšího přenosu. Agregovaná data ze senzorů jsou poté odeslána hlavnímu kontroléru po sběrnici I3C v intervalech, optimalizovaných s ohledem na účinnost systému.

Nesporná výhoda I3C se u systémů, založených na senzorech ukáže v okamžiku, kdy uvážíme jejich schopnost zjednodušit obvodové řešení a snížit i náklady společně s výkonovou spotřebou, protože si vystačíme s menším počtem vývodů a také fyzických vedení v porovnání s dalšími rozhraními, které slouží ke komunikaci. Pro vývojáře, pohybující se ve složitém prostředí IoT se jako základní řešení ukazuje kompaktní mikrokontrolér s rozhraním I3C, usnadňující návrh zdařilých zařízení IoT, které vyhoví potřebám daného trhu.

Více protokolů i různá napětí pro vestavná zařízení

Požadavků, spojených s technologiemi přibývá a vývojáři vestavných systémů čelí rostoucím komplikacím, pokud jde o zpětnou kompatibilitu. Taková kompatibilita je přitom rozhodující, protože umožňuje modernizovat vestavné systémy postupně, a ne je rovnou kompletně předělávat. Abychom si zjednodušili přechod na I3C, reaguje nový komunikační protokol na omezení rozhraní I2C a SMBus, zatímco využívá stejné dvojice pinů pro hodiny a data jako I2C, takže lze zachovat kompatibilitu.

I3C se sice zaměřuje na zpětnou kompatibilitu s protokoly I2C/SMBus, nicméně přítomnost obvodu s I2C/SMBus na sběrnici I3C může ovlivnit její vlastnosti, a to i tehdy, bude-li kontrolér optimalizován pro I3C. Řešením je, když MCU s modulem I3C bude sloužit jako „bridge“, oddělující cílové obvody s I2C/SMBus od „čisté“ sběrnice I3C. Integrita sběrnice I3C tak zůstane zachována a hlavní kontrolér (I3C) bude s obvody, vybavenými I2C/SPI komunikovat prostřednictvím bridge MCU. Mikrokontrolér může navíc sjednotit přerušení od prvků I2C/SMBus a předat je hlavnímu kontroléru (I3C) za přispění „in-band“ přerušení, bez dodatečných pinů nebo signálů.

Vestavné systémy tvoří různé součástky, jako jsou MCU, senzory a další obvody. Zmíněné prvky je často zapotřebí vzájemně mezi sebou propojit, nicméně pracují zde v různých napěťových oblastech. Analogové snímače např. obvykle vyžadují pět voltů, zatímco s komunikačními protokoly typu I2C či SMBus se bude pojit napětí 3,3 V. A sběrnice I3C může dokonce fungovat s jedním voltem a vyhovět přitom požadavkům ze strany moderních vysokorychlostních procesorů.

MCU s funkcí MVIO (Multi-Voltage I/O) řeší otázku napěťové neslučitelnosti a vylučují přitom potřebu obvodů pro posun úrovní (level shifter). Sběrnice I3C a I2C/SMBus tak mohou fungovat souběžně při různém napětí. U MCU proto např. sběrnice I3C poběží na 1 V, zatímco I2C/SMBus pak na vyšší úrovni 3,3 V, takže zaručíme kompatibilitu se staršími obvody.

MCU PIC18-Q20 od firmy Microchip s podporou MVIO nabízí různé komunikační protokoly, jako je I3C, SPI, I2C či UART a k tomu až tři nezávislé provozní napěťové oblasti. Taková flexibilita je nesmírně užitečná ve složitém síťovém prostředí, kde obvody používají různé protokoly a také napětí, takže vývojáři vestavných systémů mohou stávající protokoly zachovat a své návrhy řešit i s ohledem na budoucí využití.

Moderní počítačová infrastruktura

Většina lidí nedokáže docenit, jak moc naše každodenní „digitální životy“ závisí na datových centrech. Od provádění obchodních či finančních transakcí po brouzdání na internetu, ukládání dat, aktivitu na sociálních sítích, účast na virtuálních schůzkách nebo konzumaci digitálního obsahu – za všemi zmíněnými aktivitami stojí datová centra. Zajistí, že jsou naše informace v bezpečí, internet je rychlý a potřebné digitální služby neustále k dispozici.

V jádru datového centra se nachází moderní blade server, mimořádně vyspělý počítač navržený tak, aby maximalizoval prostorovou efektivitu a ve velkém rozsahu optimalizoval i síťové vlastnosti. Díky klíčové povaze svých funkcí jsou některé systémové úlohy v rámci každého šasi u serverů svěřeny sideband kontroléru. A tak zatímco se hlavní jednotka pro zpracování zaměřuje na primární datový tok a jeho řízení, úkol výše zmíněného kontroléru spočívá ve zlepšení síťových vlastností. Zřizuje druhotný komunikační kanál za účelem dohledu nad jednotlivými blade servery a obstarává důležité úlohy, jako je monitorování kondice systému, detekce chyb, zjišťování a konfigurace zařízení, aktualizace firmwaru či provádění diagnostiky, aniž by docházelo k narušování činnosti hlavního procesoru. Lze tak zajistit hladký a efektivní provoz. Sideband management zde slouží jako klíčový nástroj se kterým dokážeme výrazně zlepšit spolehlivost, dostupnost a také účinnost datových center.

Pro potřeby ukládání a rychlého přístupu k datům se v datových centrech také běžně používají disky SSD (Solid State Drive). Nejnovější provedení SSD, SNIA^® EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor), využívá protokolu I3C ke komunikaci v postranním pásmu a přirozeně tak přechází ze stávajícího protokolu SMBus. I3C tím řeší požadavek na svižnější provoz, vyšší přenosové rychlosti a také lepší výkonovou účinnost. Vysokorychlostní komunikace I3C zde umožňuje svižnější sběrnicové řízení, ale i změny v konfiguraci pro dosažení lepší reakce systému.

Flexibilní MCU typu obvodů rodiny PIC18-Q20 se velmi dobře hodí zejména pro úlohy systémového řízení v datových centrech či podnikovém prostředí. Zmíněné MCU až se dvěma samostatnými rozhraními I3C lze jednoduše připojit ke kontroléru SSD pro potřeby řízení systému, stejně jako ke kontroléru BMC (Baseboard Management Controller) cestou postranního spoje. Díky podpoře dřívějších komunikačních protokolů, jako je I2C/SMBus, SPI a UART představují navíc zmíněné součástky ideální řešení jak pro současná zapojení s disky SSD, tak i návrhy nové generace.

Závěr

Zapracování protokolu I3C umožňuje „nakopnout“ vestavné systémy. Rozšířené komunikační schopnosti, nižší spotřeba energie, ale i kompatibilita se stávajícími protokoly činí z I3C základ pro výpočetní aplikace a IoT nové generace. Díky optimalizaci funkcí senzorů v zařízeních internetu věcí, a také při komunikaci v datových centrech, nám univerzálnost rozhraní I3C, po integraci do mikrokontrolérů, vytváří robustní základnu dalšího rozvoje systémů, používaných v elektronice. Technologie se vyvíjí a rozhraní I3C začínáme potkávat na každém kroku. Pro celou řadu elektronických aplikací totiž znamená ještě lepší vlastnosti, spolehlivost i efektivitu.

Pro více informací o MCU s pokročilými možnostmi I3C navštivte stránky www.microchip.com