En la electrónica moderna, los sistemas embebidos se han vuelto cada vez más complejos, incorporando una gran variedad de sensores y componentes en numerosas aplicaciones, como el IoT, la informática, los dispositivos wearables y las aplicaciones sensibles a la seguridad. Para satisfacer las crecientes exigencias de estos mercados, la MIPI Alliance ha desarrollado la interfaz I3C (Improved Inter-Integrated Circuit®). I3C es una interfaz de comunicación en serie avanzada que ofrece una importante mejora en la forma en que los componentes electrónicos pueden comunicarse entre sí, proporcionando velocidades de comunicación más rápidas, un menor consumo de energía y una mayor flexibilidad de diseño. Como componente clave de un sistema embebido, los microcontroladores (MCU) se utilizan para controlar funciones de aplicaciones como la adquisición de señales de sensores y el control de bucle cerrado. Profundizaremos en varias aplicaciones que pueden utilizar un MCU con una interfaz de comunicación I3C, lo que ofrece una sólida vía de actualización y compatibilidad para implementaciones I2C y SPI.
Aplicaciones de I3C e IoT
El Internet de las cosas (IoT) afecta a casi todas las facetas de nuestra vida cotidiana, desde los aparatos domésticos hasta la sofisticada automatización de edificios y los dispositivos portátiles. Estos dispositivos interconectados recopilan e intercambian datos, lo que da forma fundamentalmente a nuestro ecosistema digital. Dentro de los dispositivos IoT, los diferentes tipos de sensores desempeñan un papel fundamental, midiendo, supervisando y transmitiendo atributos físicos cruciales como la temperatura, la humedad, la presión y la distancia, entre otros.
El protocolo I3C ofrece varias ventajas para los nodos de sensores en red. Permite una comunicación de alta velocidad, con velocidades de hasta 12,5 MHz en modo de velocidad de datos única (SDR). También admite interrupciones en banda y direccionamiento dinámico. En el direccionamiento dinámico, un controlador central asigna direcciones únicas a cada dispositivo conectado, lo que evita conflictos de direcciones. En comparación con su predecesor, el I2C, el I3C ofrece velocidades más rápidas, una interfaz de dos hilos más sencilla, una estructura de protocolo más eficiente y funciona a voltajes más bajos, lo que reduce el consumo de energía. Estas mejoras hacen que I3C sea muy adecuado para gestionar de forma eficiente múltiples nodos de sensores dentro de una red conectada.
La incorporación de un MCU de bajo coste con periféricos I3C integrados en los nodos de sensores IoT como «agregador» analógico puede mejorar la funcionalidad y la eficiencia de toda la red de sensores. En esta configuración, el convertidor analógico-digital (ADC) integrado en el MCU se utiliza para convertir las lecturas de múltiples sensores analógicos en valores digitales. Estos valores digitales pueden almacenarse en la memoria interna del MCU para su posterior análisis u organizarse para una transmisión más eficiente. Los datos agregados de los sensores se transmiten al controlador principal a través del bus I3C a intervalos optimizados para la eficiencia del sistema.
La clara ventaja del I3C en los sistemas basados en sensores se hace evidente cuando se tiene en cuenta su capacidad para minimizar la complejidad de los componentes, el coste y el consumo de energía, ya que requiere menos pines y cables en comparación con otras interfaces de comunicación alternativas. Para los diseñadores de sistemas que se mueven en el exigente panorama del mercado del IoT, un microcontrolador compacto con interfaz de comunicación I3C se perfila como una solución esencial, ya que facilita la creación de dispositivos IoT de éxito que se ajustan a los requisitos del mercado.
Múltiples protocolos y múltiples voltajes en dispositivos embebidos
A medida que aumentan los requisitos tecnológicos, los desarrolladores de dispositivos embebidos se enfrentan a retos cada vez mayores en materia de compatibilidad con versiones anteriores. Esta compatibilidad es fundamental, ya que permite actualizar gradualmente los sistemas embebidos, en lugar de rediseñarlos por completo. Para facilitar la transición a I3C, el nuevo protocolo de comunicación soluciona las limitaciones de I2C y SMBus, al tiempo que utiliza los mismos dos pines que I2C para el reloj y los datos, con el fin de mantener la compatibilidad.
Aunque I3C pretende ser compatible con los protocolos I2C/SMBus, la presencia de un dispositivo I2C/SMBus en un bus I3C puede afectar al rendimiento del bus, incluso con la optimización del controlador para dispositivos I3C. Para resolver esto, un MCU con un módulo I3C puede servir como dispositivo puente, aislando los dispositivos I2C/SMBus del bus I3C «puro». Esto mantiene la integridad del bus I3C, lo que permite al controlador I3C principal comunicarse con los dispositivos I2C/SPI a través del MCU puente. Además, el MCU puede consolidar las interrupciones de los dispositivos I2C/SMBus y transmitirlas al controlador I3C principal utilizando interrupciones en banda, sin necesidad de pines o señales adicionales.
Los sistemas embebidos incorporan diversos componentes, como MCU, sensores y otros circuitos. A menudo, estos componentes deben conectarse entre sí, pero funcionan en dominios de voltaje diferentes. Por ejemplo, los sensores analógicos suelen funcionar a 5 voltios, mientras que los protocolos de comunicación como I2C y SMBus requieren 3,3 voltios. El bus I3C puede funcionar incluso a 1 voltio para adaptarse a los requisitos de los procesadores modernos de alta velocidad.
Los MCU con función de E/S multivoltaje (MVIO) resuelven las incompatibilidades de voltaje y eliminan la necesidad de cambiadores de nivel. Esta función permite que los buses I3C e I2C/SMBus funcionen simultáneamente con diferentes voltajes. Por ejemplo, un MCU puede ejecutar el bus I3C a 1 V mientras mantiene el bus I2C/SMBus a un voltaje más alto, 3,3 V, para garantizar la compatibilidad con dispositivos heredados.
Los MCU PIC18-Q20 de Microchip, con soporte MVIO, ofrecen múltiples protocolos de comunicación como I3C, SPI, I2C y UART, y hasta tres dominios de voltaje operativo independientes. Esta flexibilidad resulta muy beneficiosa en entornos de red complejos en los que los dispositivos utilizan diferentes protocolos y voltajes, lo que permite a los desarrolladores de sistemas embebidos mantener los protocolos existentes y, al mismo tiempo, garantizar la compatibilidad futura de sus diseños.
Modern Computing Infrastructure
La mayoría de las personas subestiman lo mucho que dependemos de los centros de datos en nuestra vida digital cotidiana. Desde la realización de transacciones comerciales y financieras hasta la navegación por Internet, el almacenamiento de datos, la participación en redes sociales, la asistencia a reuniones virtuales y el disfrute del entretenimiento digital, todas estas actividades se ven facilitadas por los centros de datos. Estos centros garantizan que nuestros datos estén seguros, que nuestra conexión a Internet sea rápida y que nuestros servicios digitales estén siempre disponibles.
En el núcleo del centro de datos se encuentra el moderno servidor blade, un ordenador muy avanzado diseñado para maximizar la eficiencia del espacio y optimizar el rendimiento de la red a gran escala. Debido a la naturaleza crucial de su función, ciertas tareas del sistema dentro de cada chasis del servidor se delegan a un controlador de banda lateral. Mientras que la unidad de procesamiento principal se centra en gestionar el flujo de datos primario, el controlador de banda lateral interviene para mejorar el rendimiento de la red. Establece un canal de comunicación secundario para supervisar los servidores blade individuales y se encarga de tareas importantes como supervisar el estado del sistema, detectar fallos, descubrir y configurar dispositivos, actualizar el firmware y realizar diagnósticos sin interrumpir el procesador principal. Esto garantiza un funcionamiento fluido y eficiente. La gestión de banda lateral es una herramienta fundamental que puede mejorar en gran medida la fiabilidad, la disponibilidad y la eficiencia de los centros de datos.
Las unidades de estado sólido (SSD) también se utilizan habitualmente en los centros de datos para almacenar datos y acceder a ellos rápidamente. El formato SSD más reciente, SNIA® Enterprise and Datacenter Standard Form Factor (EDSFF), ha adoptado el protocolo I3C para la comunicación de banda lateral como una actualización natural del protocolo SMBus existente. I3C responde a la demanda de un rendimiento más rápido, mayores velocidades de transferencia de datos y una mayor eficiencia energética. La comunicación de alta velocidad de I3C permite una gestión más rápida del bus y modificaciones de la configuración para mejorar la capacidad de respuesta del sistema.
Los MCU flexibles, como la familia PIC18-Q20, son especialmente adecuados para tareas de gestión de sistemas en entornos de centros de datos y empresariales. Con hasta dos interfaces I3C independientes, estos MCU pueden conectarse fácilmente a un controlador SSD para realizar tareas de gestión del sistema, así como a un controlador de gestión de placa base (BMC) a través de una conexión de banda lateral. Además, con protocolos de comunicación heredados integrados como I2C/SMBus, SPI y UART, estos dispositivos representan una solución ideal tanto para los diseños de SSD actuales como para los de próxima generación.
Conclusión
La integración del protocolo I3C se ha convertido en una fuerza impulsora en los sistemas embebidos. Las capacidades de comunicación mejoradas, el menor consumo de energía y la compatibilidad con los protocolos existentes hacen del I3C una piedra angular para las aplicaciones de IoT y cálculo de próxima generación. Al optimizar las funcionalidades de los sensores en los dispositivos IoT y la comunicación de los centros de datos, la versatilidad del I3C, cuando se integra en microcontroladores, proporciona una base sólida para el panorama en evolución de los sistemas electrónicos. A medida que avanza la tecnología, la adopción del I3C se está generalizando, lo que permite mejorar el rendimiento, la fiabilidad y la eficiencia en muchas aplicaciones electrónicas.
Para obtener más información sobre un MCU con capacidades I3C avanzadas, visite www.microchip.com/Q20
