[APPLICATION MICROCHIP] L’intégration du protocole I3C standardisé par la MIPI Alliance s’est imposée comme une force motrice dans les systèmes embarqués. Grâce à ses capacités de communication, à une consommation énergétique faible et à une compatibilité avec d’autres protocoles existants, l’I3C est une clé pour les nouvelles générations d’applications de l’IoT. En optimisant les fonctionnalités des capteurs dans les objets connectés et la communication des centres de données, la polyvalence de l’I3C lorsqu’il est intégré à des microcontrôleurs, fournit une base solide pour le monde des systèmes électroniques car elle permet d’améliorer les performances, la fiabilité et l’efficacité dans de nombreuses applications. Analyse par Microchip.

Auteurs : Stéphanie Pinteric et Ulises Iniguez

Microchip

Dans le domaine de l’électronique moderne, les systèmes embarqués sont devenus de plus en plus complexes, intégrant un grand nombre de capteurs et de composants dans de nombreuses applications, dont l’Internet des Objets (IoT), l’informatique, les objets portés sur soi et les applications sensibles à la sécurité. Afin de respecter les exigences croissantes de ces marchés, la MIPI Alliance a mis au point la nouvelle interface de communication série, l’I3C (Improved Inter-Integrated Circuit).

Celle-ci apporte une avancée majeure dans la façon dont les composants électroniques peuvent communiquer entre eux en proposant des débits de communication plus rapides, une consommation énergétique plus faible et une flexibilité de conception améliorée. Dans ce cadre, en tant que composant clé d’un système embarqué, les microcontrôleurs sont utilisés pour commander les fonctions de l’application, comme l’acquisition du signal des capteurs et le contrôle en boucle fermée.

Plusieurs applications qui peuvent utiliser un microcontrôleur avec une interface de communication I3C, proposent dès lors un chemin d’amélioration solide ainsi que la compatibilité avec les systèmes de communication I2C et SPI.

Applications I3C et Internet des Objets

L’Internet des Objets (IoT, Internet of Things) s’invite dans à peu près tous les aspects de notre vie quotidienne, allant des gadgets de nos foyers à l'automatisation de bâtiments complexes, en passant par les objets portés sur soi. Ces appareils interconnectés collectent et échangent des données, et forment un écosystème numérique. Au sein de ces appareils connectés, différents types de capteurs y jouent un rôle central pour mesurer, surveiller et relayer des paramètres physiques essentiels tels que la température, l’humidité, la pression ou la distance.

A ce niveau, le protocole I3C apporte plusieurs avantages pour les nœuds de capteurs. Il permet la communication à haute vitesse, atteignant 12,5 MHz en mode SDR (Single Data Rate). Il prend également en charge les interruptions sur le canal principal (in-band) ainsi que l’adressage dynamique.

Dans cette configuration d’adressage dynamique, un contrôleur central attribue des adresses uniques à chaque appareil connecté, afin d’éviter les conflits d’adresses. Par rapport à son prédécesseur, le protocole I2C, l’I3C bénéficie ici de vitesses plus rapides, d’une interface à deux fils plus simple, d’une structure de protocole plus efficace et fonctionne à des tensions plus basses, ce qui réduit la consommation énergétique. Ces améliorations font de l’I3C un protocole adapté à une gestion efficace des nœuds comportant plusieurs capteurs au sein d’un réseau connecté.

L’intégration d’un microcontrôleur à faible coût doté de périphériques I3C intégrés dans des nœuds de capteurs IoT en tant qu’ "agrégateur" analogique permet dans ce cadre d’améliorer les fonctionnalités et l’efficacité de la totalité du réseau de capteurs. Pour cette configuration, le convertisseur analogique-numérique intégré au microcontrôleur est utilisé pour convertir les relevés des différents capteurs analogiques en valeurs numériques. Ces valeurs numériques peuvent ensuite être stockées dans la mémoire interne du microcontrôleur en vue d’analyses futures, ou organisées pour une transmission plus efficace.

Les données agrégées issues des différents capteurs sont transmises ensuite au contrôleur principal à travers le bus I3C à des intervalles optimisés pour une meilleure efficacité du système. Le principal avantage de l’I3C au sein des systèmes à base de capteurs devient alors évident quand on regarde sa capacité à réduire la complexité des composants, les coûts et la consommation énergétique, car il nécessite moins de broches et de fils par rapport aux autres interfaces de communication.

Pour les développeurs systèmes évoluant sur le marché exigeant des objets connectés, un microcontrôleur compact doté d’une interface de communication I3C constitue ainsi une solution qui facilite la création de sous-systèmes IoT opérationnels qui répondent aux exigences du marché.

Systèmes embarqués : protocoles et tensions multiples

À mesure que les exigences technologiques se multiplient, les développeurs de systèmes embarqués doivent relever des défis de plus en plus ardus sur le plan de la rétrocompatibilité. Cette notion est essentielle car elle permet aux systèmes embarqués déjà en place d’être mis à niveau peu à peu, plutôt que de devoir revoir totalement leur conception.

Dans ce cadre, pour faciliter la transition vers l’I3C, le nouveau protocole de communication résout les problèmes des limites des protocoles I2C et SMBus, tout en utilisant les deux mêmes broches que l’I2C pour les signaux d’horloge et les données, afin de maintenir la compatibilité.

Tandis que l’I3C vise à être rétrocompatible avec les protocoles I2C et SMBus, la présence d’un composant I2C/SMBus sur un bus I3C peut affecter les performances du bus, y compris avec l’optimisation de contrôleur pour les composants I3C. Pour résoudre ce problème, un microcontrôleur doté d’un module I3C peut être utilisé comme composant "pont",  isolant les composants cible I2C/SMBus du bus I3C lui-même. Ainsi, l’intégrité du bus I3C est maintenue, ce qui permet au contrôleur I3C principal de communiquer avec les composants I2C/SPI à travers le microcontrôleur pont.

De plus, le microcontrôleur peut consolider les interruptions des composants I2C/SMBus et les transmettre au contrôleur I3C principal à l’aide d’interruptions sur le canal de communication principal, sans broche ou signal supplémentaire.

Au-delà, les systèmes embarqués qui intègrent divers composants (microcontrôleurs, capteurs.. ) qui doivent être connectés entre eux, bien qu’ils fonctionnent avec des domaines de tension différents. Par exemple, les capteurs analogiques fonctionnent typiquement à 5 volts, tandis que les protocoles de communication comme l’I2C et le SMBus nécessitent du 3,3 volts.

Le bus I3C peut même fonctionner à 1 volt afin de respecter les exigences des processeurs modernes ultra rapides. Dans ce cadre, les microcontrôleurs dotés de caractéristiques MVIO (Multi-Voltage I/O pour entrées/sorties à tensions multiples) résolvent les problèmes d’incompatibilité de tension et permettent de se passer de dispositifs de décalage de niveau. Cette caractéristique permet aux bus I3C et I2C/SMBus de fonctionner à différents niveaux de tension de façon simultanée.

Par exemple, un microcontrôleur peut faire tourner le bus I3C à 1 V tout en conservant un niveau de tension plus élevé, à 3,3 V pour les bus I2C/SMBus afin d’assurer la compatibilité avec les composants existants. Les microcontrôleurs PIC18-Q20 de Microchip, compatibles MVIO, supportent ainsi des protocoles de communication multiples, comme l’I3C, le SPI, l’I2C et les UART, et jusqu’à trois domaines de tension de fonctionnement indépendants. Cette flexibilité s’avère particulièrement avantageuse dans les environnements en réseau complexe, dans lesquelles les composants utilisent différents protocoles et tensions, autorisant les développeurs de systèmes embarqués de conserver les protocoles existants tout en rendant plus durables leurs systèmes.

Vers des Infrastructures informatiques modernes

La plupart des utilisateurs lambda sous-estiment notre niveau de dépendance aux centres de données dans notre vie de tous les jours. Depuis la gestion de nos affaires jusqu’aux transactions financières, en passant par la navigation internet, le stockage de données, l’utilisation des réseaux sociaux, les vidéoconférences et la consommation de loisirs numériques, toutes ces activités sont rendues possibles grâce aux centres de données. Ces derniers garantissent la sécurité de nos données, le débit de notre connexion Internet et la disponibilité permanente de nos services en ligne.

Au cœur du centre de données se trouve le serveur à lames moderne, un super ordinateur de pointe conçu pour optimiser l’efficacité spatiale et optimiser les performances réseau à grande échelle. En raison de la nature essentielle de leurs fonctions, certaines tâches système au sein de chaque châssis de serveur sont déléguées à un contrôleur hors bande.

Tandis que l’unité de calcul principale se concentre sur la gestion du flux de données primaire, le contrôleur hors bande entre en jeu pour améliorer les performances du réseau. Il établit un canal de communication secondaire pour superviser les lames de serveurs individuelles et gère les tâches importantes comme la surveillance de l’état du système, la détection des pannes, la détection et la configuration des appareils, la mise à jour des firmwares, et la réalisation de diagnostics sans interrompre le processeur principal. Un fonctionnement fluide et efficace est ainsi assuré. La gestion hors bande constitue un outil essentiel qui peut grandement améliorer la fiabilité, la disponibilité et l'efficacité des centres de données.

Les disques mémoire SSD (Solid State Drive) sont également utilisés couramment dans les centres de données pour stocker les données et y accéder rapidement. Le tout nouveau facteur de forme des SSD, le EDSFF (Enterprise and Datacenter Standard Form Factor) défini par la SNIA (Storage Networking Industry Association) a adopté le protocole I3C pour la communication hors bande, en tant qu’évolution naturelle du protocole SMBus existant. La communication à haute vitesse du I3C permet ainsi une gestion de bus et des modifications de la configuration plus rapides pour une réactivité améliorée du système.

Les microcontrôleurs flexibles, tels que la famille PIC18-Q20, sont a ce niveau adaptés aux tâches de gestion système dans les environnements de centres de données et d’entreprise. Dotés d’une ou deux interfaces I3C séparées, ces microcontrôleurs peuvent facilement se connecter à un contrôleur SSD pour réaliser les tâches de gestion système, ainsi qu’à un contrôleur BMC de gestion de châssis (Baseboard Management Controller) à travers une connexion hors bande. De plus, grâce à des protocoles de communication intégrés existants, comme l’ I2C, le SMBus, le SPI et les UART, ces composants représentent une solution ad hoc pour les systèmes SSD actuels et de nouvelle génération.