Îmbunătățirea sistemelor embedded cu I3C
În electronica modernă, sistemele embedded au devenit din ce în ce mai complexe, integrând o varietate de senzori și componente în numeroase aplicații, inclusiv IoT, sisteme de calcul, dispozitive purtabile și aplicații sensibile din punct de vedere al securității. Pentru a răspunde cerințelor crescânde ale acestor piețe, MIPI Alliance a dezvoltat interfața I3C (Improved Inter-Integrated Circuit®).
I3C este o interfață avansată de comunicație serială care aduce o îmbunătățire semnificativă modului în care componentele electronice comunică între ele, oferind viteze mai mari de transfer, un consum redus de energie și o flexibilitate sporită în proiectare. Microcontrolerele reprezintă componentele-cheie ale unui sistem embedded, fiind utilizate pentru a controla funcțiile aplicațiilor, cum ar fi achiziția semnalelor de la senzori și controlul în buclă închisă. În continuare, vom analiza mai multe aplicații care pot utiliza un microcontroler cu interfață de comunicație I3C, oferind o cale de upgrade robustă și compatibilitate cu implementările I2C și SPI.
Aplicații I3C și IoT
Internetul lucrurilor (IoT) se regăsește în aproape toate aspectele vieții noastre de zi cu zi, de la gadgeturi casnice la sisteme sofisticate de automatizare a clădirilor și dispozitive purtabile. Aceste dispozitive interconectate colectează și schimbă date, modelând ecosistemul nostru digital. La nivelul dispozitivelor IoT, diversele tipuri de senzori joacă un rol esențial, măsurând, monitorizând și transmițând atribute fizice critice, precum temperatura, umiditatea, presiunea și distanța, printre altele.
Protocolul I3C oferă o serie de avantaje pentru nodurile de senzori conectate în rețea. Acesta permite comunicații de mare viteză, cu frecvențe de până la 12,5 MHz în modul SDR (Single Data Rate). De asemenea, suportă întreruperi în bandă și adresare dinamică. În cazul adresării dinamice, un controler central atribuie adrese unice fiecărui dispozitiv conectat, prevenind conflictele între adrese. În comparație cu predecesorul său, I2C, I3C oferă viteze mai mari, o interfață simplificată cu două fire, o structură de protocol mai eficientă și funcționarea la tensiuni mai mici, contribuind la reducerea consumului de energie. Aceste îmbunătățiri facilitează gestionarea eficientă a mai multor noduri de senzori într-o rețea conectată.
Agregarea datelor de la senzori utilizând I3C
Prin integrarea unui microcontroler cu cost redus, echipat cu periferice I3C încorporate, în nodurile de senzori IoT, acesta poate îndeplini rolul unui agregator de date analogice, îmbunătățind funcționalitatea și eficiența întregii rețele de senzori. În această configurație, convertorul analog-digital (ADC) integrat în microcontroler este utilizat pentru a converti citirile provenite de la mai mulți senzori analogici în valori digitale. Aceste valori pot fi apoi stocate în memoria internă a microcontrolerului pentru analize ulterioare sau organizate în vederea unei transmisii mai eficiente.
Datele agregate ale senzorilor sunt transmise controlerului principal prin magistrala I3C, la intervale optimizate pentru eficiența generală a sistemului. Avantajul distinct al interfeței I3C în sistemele bazate pe senzori devine evident atunci când se ia în considerare capacitatea sa de a reduce complexitatea componentelor, costurile și consumul de energie, necesitând mai puțini pini și fire comparativ cu interfețele de comunicație alternative. Pentru proiectanții de sisteme care activează pe piața exigentă a IoT, un microcontroler compact cu interfață de comunicație I3C reprezintă o soluție esențială, facilitând dezvoltarea de dispozitive IoT de succes, aliniate cerințelor pieței.
Protocoale și tensiuni multiple în dispozitivele embedded
Odată cu creșterea cerințelor tehnologice, dezvoltatorii de dispozitive embedded se confruntă cu provocări tot mai mari în ceea ce privește compatibilitatea cu versiunile anterioare. Această compatibilitate este esențială, deoarece permite actualizarea treptată a sistemelor embedded, în locul reproiectării complete a acestora. Pentru a facilita tranziția către I3C, noul protocol de comunicație rezolvă limitările I2C și SMBus, utilizând aceiași doi pini ca I2C pentru semnalul de ceas și date, cu scopul de a menține compatibilitatea.
Deși I3C vizează compatibilitatea cu protocoalele I2C/SMBus, prezența unui dispozitiv I2C/SMBus pe o magistrală I3C poate afecta performanța acesteia, chiar și atunci când controlerul este optimizat pentru dispozitivele I3C. Pentru a depăși această limitare, un microcontroler dotat cu un modul I3C poate funcționa ca dispozitiv punte, izolând dispozitivele țintă I2C/SMBus de magistrala I3C “pură”. Astfel, se menține integritatea magistralei I3C, permițând controlerului I3C principal să comunice cu dispozitivele I2C/SPI prin intermediul microcontrolerului punte. În plus, microcontrolerul poate consolida întreruperile provenite de la dispozitivele I2C/SMBus și le poate transmite controlerului I3C principal folosind întreruperi în bandă, fără a fi necesari pini sau semnale suplimentare.
Gestionarea domeniilor de tensiune cu MVIO
Sistemele embedded includ diverse componente, precum microcontrolere, senzori și alte circuite integrate. Adesea, aceste componente trebuie interconectate, însă operează în domenii de tensiune diferite. De exemplu, senzorii analogici funcționează de obicei la 5 V, în timp ce protocoalele de comunicație precum I2C și SMBus necesită 3,3 V. Magistrala I3C poate funcționa chiar și la 1 V, pentru a se adapta cerințelor procesoarelor moderne de mare viteză.
Microcontrolerele care integrează funcția MVIO (Multi-Voltage I/O) rezolvă incompatibilitățile de tensiune și elimină necesitatea utilizării circuitelor externe de conversie a nivelului. Această funcție permite magistralelor I3C și I2C/SMBus să funcționeze simultan la tensiuni diferite. De exemplu, un microcontroler poate opera magistrala I3C la 1 V, menținând magistrala I2C/SMBus la o tensiune mai mare, de 3,3 V, pentru compatibilitate cu dispozitivele existente.
Microcontrolerele PIC18-Q20 de la Microchip Technology, cu suport MVIO, oferă multiple protocoale de comunicație, precum I3C, SPI, I2C și UART, precum și până la trei domenii de tensiune de funcționare independente. Această flexibilitate este extrem de valoroasă în medii de rețea complexe, în care dispozitivele utilizează protocoale și niveluri de tensiune diferite, permițând dezvoltatorilor de sisteme embedded să păstreze protocoalele existente și, în același timp, să asigure viabilitatea pe termen lung a proiectelor lor.
Infrastructură modernă de calcul
Majoritatea oamenilor nu realizează cât de mult ne bazăm pe centrele de date în viața noastră digitală de zi cu zi. De la efectuarea de tranzacții comerciale și financiare până la navigarea pe internet, stocarea datelor, utilizarea rețelelor sociale, participarea la întâlniri virtuale și divertismentul digital, toate aceste activități sunt facilitate de centrele de date. Acestea asigură siguranța datelor, viteza accesului la internet și disponibilitatea permanentă a serviciilor digitale.
La baza unui centru de date se află serverul blade, un sistem de calcul extrem de avansat, proiectat pentru a maximiza densitatea de integrare și a optimiza performanța rețelei la scară largă. Datorită rolului critic pe care îl îndeplinesc, anumite sarcini de sistem din cadrul fiecărui server sunt delegate unui controler sideband. În timp ce unitatea principală de procesare gestionează fluxul principal de date, controlerul sideband operează printr-un canal secundar de comunicație, dedicat supravegherii și administrării serverelor blade și îndeplinirii unor funcții esențiale, precum monitorizarea stării de funcționare, detectarea defectelor, descoperirea și configurarea dispozitivelor, actualizarea firmware-ului și rularea testelor de diagnosticare, fără a încărca procesorul principal. Această abordare contribuie la o funcționare stabilă și eficientă a sistemelor. Administrarea sideband reprezintă astfel un instrument esențial pentru îmbunătățirea fiabilității, disponibilității și eficienței centrelor de date.
Comunicații sideband și I3C în centrele de date
Unitățile SSD (Solid State Drive) sunt utilizate pe scară largă în centrele de date pentru stocarea și accesarea rapidă a volumelor mari de date. Cel mai recent factor de formă pentru SSD-uri, SNIA® Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF), a adoptat protocolul I3C pentru comunicația sideband, ca o evoluție naturală a protocolului SMBus utilizat anterior. I3C răspunde cerințelor tot mai ridicate privind performanța, oferind rate de transfer mai mari și o eficiență energetică îmbunătățită. Comunicația de mare viteză asigurată de I3C permite o gestionare mai rapidă a magistralei și modificări de configurare mai eficiente, contribuind la o capacitate de reacție superioară a sistemului.
Microcontrolerele flexibile, precum cele din familia PIC18-Q20 de la Microchip Technology, sunt deosebit de potrivite pentru sarcinile de gestionare a sistemelor din centrele de date și mediile enterprise. Cu până la două interfețe I3C independente, aceste microcontrolere se pot conecta atât la un controler SSD pentru funcții de management al dispozitivului, cât și la un controler de management al plăcii de bază (BMC – Baseboard Management Controller) printr-o conexiune sideband. În plus, datorită protocoalelor de comunicație integrate, precum I2C/SMBus, SPI și UART, aceste dispozitive constituie o soluție robustă atât pentru proiectele SSD actuale, cât și pentru cele din generațiile viitoare.
Concluzie
Integrarea protocolului I3C a devenit o forță motrice în evoluția sistemelor embedded. Capabilitățile de comunicație îmbunătățite, consumul redus de energie și compatibilitatea cu protocoalele existente fac din I3C o tehnologie-cheie pentru aplicațiile IoT și sistemele de calcul de generație următoare. Prin optimizarea funcționalităților senzorilor în dispozitivele IoT și a comunicațiilor din centrele de date, versatilitatea I3C, atunci când este integrată în microcontrolere, oferă o bază solidă pentru peisajul aflat în continuă evoluție al sistemelor electronice. Pe măsură ce tehnologia avansează, adoptarea I3C devine tot mai extinsă, permițând îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește performanța, fiabilitatea și eficiența unei game largi de aplicații electronice.
Pentru mai multe informații despre microcontrolere cu capabilități avansate I3C, vizitați pagina de resurse dedicată familiei Q20 de la Microchip Technology: https://www.microchip.com/en-us/search?q=Q20
Autori: Stephenie Pinteric și Ulises Iniguez
Microchip Technology | https://www.microchip.com
Glosar de termeni
- I3C (Improved Inter-Integrated Circuit) – Interfață serială de comunicație dezvoltată de MIPI Alliance, concepută ca evoluție a I2C, oferind viteze mai mari, consum redus de energie, adresare dinamică și întreruperi în bandă, cu compatibilitate retroactivă I2C.
- I2C (Inter-Integrated Circuit) – Protocol serial de comunicație pe două fire, utilizat pe scară largă pentru conectarea microcontrolerelor cu senzori și circuite periferice.
- SMBus (System Management Bus) – Variantă a protocolului I2C, optimizată pentru managementul sistemelor, frecvent utilizată în aplicații PC, servere și centre de date.
- SPI (Serial Peripheral Interface) – Protocol de comunicație serială sincronă, cu rate de transfer ridicate, utilizat pentru conectarea rapidă a microcontrolerelor cu periferice.
- UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) – Interfață de comunicație serială asincronă utilizată pentru schimbul de date punct-la-punct.
- IoT (Internet of Things) – Rețea de dispozitive interconectate care colectează, transmit și procesează date din mediul fizic, utilizând senzori și sisteme embedded.
- MVIO (Multi-Voltage I/O) – Funcționalitate a microcontrolerelor care permite operarea simultană a interfețelor de comunicație la niveluri diferite de tensiune, eliminând necesitatea circuitelor externe de conversie a nivelului.
- Sideband – Canal secundar de comunicație utilizat pentru managementul și monitorizarea sistemelor, independent de fluxul principal de date.
- BMC (Baseboard Management Controller) – Controler dedicat pentru managementul plăcii de bază în servere și sisteme enterprise, responsabil de monitorizare, configurare și diagnosticare.
- ADC (Analog-to-Digital Converter) – Convertor analog-digital integrat în microcontrolere, utilizat pentru transformarea semnalelor analogice provenite de la senzori în date digitale.
- EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor) – Standard SNIA pentru factori de formă SSD destinați aplicațiilor enterprise și centrelor de date.
- Server blade – Server modular, compact, proiectat pentru densitate ridicată de integrare și utilizare eficientă a resurselor într-un centru de date.
- Microcontroler – Circuit integrat programabil care combină procesorul, memoria și perifericele de intrare/ieșire, utilizat ca element central în sistemele embedded.