電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）I2C作為一種簡(jiǎn)單的雙向二線制同步串行總線，已經(jīng)為人們所熟知，在信息傳輸領(lǐng)域有著不少應(yīng)用。此前大家對(duì)I2C的印象是結(jié)合了SPI和UART的優(yōu)點(diǎn)，但隨著應(yīng)用的發(fā)展，I2C速率低、功耗大的短板日趨明顯，這時(shí)就需要新的升級(jí)版的總線協(xié)議來(lái)接棒。

I3C，全稱Improved Inter Integrated Circuit，作為I2C的升級(jí)版接過(guò)了這個(gè)I2C手中的接力棒。I3C整合并統(tǒng)一了I2C和SPI的關(guān)鍵屬性，同時(shí)通過(guò)全面、可擴(kuò)展的接口和體系結(jié)構(gòu)改進(jìn)每種方法的功能和性能。該規(guī)范還預(yù)測(cè)了未來(lái)移動(dòng)、移動(dòng)影響和嵌入式系統(tǒng)行業(yè)所需的傳感器接口架構(gòu)。

I3C，升級(jí)版I2C

在過(guò)去的幾十年里，I2C的廣泛應(yīng)用可以說(shuō)是有目共睹，但是其本身也有著兩個(gè)避不開的缺點(diǎn)，一是速率受限，二是功耗偏大。此前也有不少SPI代替I2C的做法，但是SPI本身應(yīng)用比較寬泛，最終也沒(méi)能替代I2C。隨著移動(dòng)設(shè)備上傳感器數(shù)量的增加，總線上數(shù)據(jù)量開始膨脹，I2C的瓶頸越來(lái)越明顯。為了提升I2C的性能，早在2013年，MIPI聯(lián)盟傳感器接口工作組就啟動(dòng)了基于I2C的需求升級(jí)。

I3C作為I2C的升級(jí)版，在使用功率和性能方面有重大改進(jìn)，同時(shí)速率也升級(jí)到可以替代SPI的中速，相當(dāng)于SPI 30MHz下的速率。I3C規(guī)范的主要制定者包括NXP，Qualcomm，Intel，還有Invensense，TI，STM，Synopsys，Cadence，Mentor，Sony，Knowles，Lattice這些提供助力的廠商。

眾所周知I2C是兩根線，但是它的中斷腳、使能腳等等都要通過(guò)GPIO連到SoC上，隨著傳感器數(shù)量的增加，使用I2C只能不斷增加GPIO。I3C將這些中斷做成了內(nèi)置，可以幫SoC省去很多GPIO。I3C也是向后兼容I2C，I2C可以平穩(wěn)地過(guò)渡到I3C。這一升級(jí)有效助力了智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)和汽車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

I3C優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景在哪里

I2C與I3C傳感器接口框圖對(duì)比，NXP

從上圖I2C與I3C傳感器接口框圖對(duì)比可以很明顯地看到，雖然I2C說(shuō)是只有時(shí)鐘線數(shù)據(jù)線，但是還需要很多額外的從線連到SoC上，GPIO數(shù)量的增加以添加SoC包引腳和PCB層計(jì)數(shù)的形式增加了系統(tǒng)成本，相比之下I3C的布線情況就簡(jiǎn)潔很多，只需要兩根信號(hào)線即可，可以顯著縮小SoC尺寸。

至于功耗，眾所周知I2C的兩根線SCL和SDA都是需要接上拉電阻的，上拉電阻的存在導(dǎo)致了I2C功耗會(huì)比較大，I3C的SCL全程采用推挽，SDA大部分時(shí)間也在推挽模式下工作，因此功耗會(huì)降低很大一部分。

功耗與速率對(duì)比，NXP

速率上I2C典型的速率有3 Mbps max at 3.4 MHz (Hs)、0.8 Mbps max at 1 MHz (Fm+)、0.35 Mbps max at 400 KHz (Fm)。I3C典型的數(shù)據(jù)模式SDR是12MHz下的10.6Mbps，最高速率是HDR模式下的三元采樣，達(dá)到12.5MHz下的30Mbps。

另外，I2C是沒(méi)有命令字的，I3C則有著一整套通用命令字的集合。可以通過(guò)這些命令字實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地址分配、檢查當(dāng)前總線狀態(tài)、時(shí)間控制、IO擴(kuò)展等等功能。整個(gè)功能比I2C有著全面的提升。

從I3C最典型的SDR信號(hào)處理上來(lái)看，動(dòng)態(tài)地址分配后其啟動(dòng)條件與I2C相同（SCL和SDA從高降到底），但接下來(lái)就不同了，I3C SCL可以達(dá)到4MHz，并且其高周期<45 ns，比I2C要求的50 ns低得多。接收到ACK之后，主機(jī)就會(huì)將SDA更改為推挽模式，并將其時(shí)鐘增加到12.5 MHz使器件進(jìn)入SDR模式。

地址仲裁可以說(shuō)是I3C極為重要的特性。上面提到，I3C將中斷內(nèi)置（IBI）進(jìn)來(lái)了，當(dāng)Slave產(chǎn)生中斷時(shí)，IBI就會(huì)主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送中斷信息，上傳地址與其他信息。多個(gè)Slave同時(shí)產(chǎn)生中斷，這時(shí)候就有多個(gè)地址信息，就需要進(jìn)行地址仲裁判別優(yōu)先級(jí)。地址仲裁遵從一個(gè)原則，那就是0s優(yōu)先，哪個(gè)Slave小哪個(gè)優(yōu)先級(jí)更高。地址沖裁也對(duì)熱插拔、動(dòng)態(tài)地址分配以及多主機(jī)申請(qǐng)判別同樣有效。

I3C規(guī)范的更新

I3C協(xié)議V1.1.1的兩部分（MIPI會(huì)員版和基本版）均是在在去年發(fā)布。在最新的V1.1.1版本中，Slave增加了Reset機(jī)制，簡(jiǎn)單來(lái)講就是使用退出HDR模式的方法增強(qiáng)了協(xié)議的故障恢復(fù)能力。

其次，增加了Group的尋址方式，可以對(duì)多個(gè)Slave進(jìn)行分組然后進(jìn)行尋址，類似于PMBus；再者是引入了HDR-BT模式，以12.5MHz提供高達(dá)97Mbps的數(shù)據(jù)速率；對(duì)于DDR模式則增加了Slave的中止、CRC功能；另外，Device-to-device tunnel機(jī)制也加入進(jìn)來(lái)，實(shí)現(xiàn)Slave之間的直接通信。

I3C廠商動(dòng)向

NXP

NXP作為I3C協(xié)議的主要制定者，提供IP與Silvaco合作，提供Free Basic Slave、Standard Slave、Advanced Slave以及主機(jī)四種不同包裝的I3C產(chǎn)品，根據(jù)不同具體應(yīng)用的區(qū)別，可以為Slave模塊添加1.5K到2.5K的門，消耗的功率也很小，并支持采用時(shí)鐘門控和其他方法來(lái)限制功耗。其后端可以在沒(méi)有系統(tǒng)時(shí)鐘的情況下運(yùn)行。在NXP的RT系列MCU中，也可以看到I3C的身影。

Synopsys

Synopsys也發(fā)布了DesignWare MIPI I3C控制器IP，可以將更多傳感器集成到系統(tǒng)中，同時(shí)簡(jiǎn)化電路板設(shè)計(jì)并降低總體成本和功耗。DesignWare MIPI I3C控制器IP多主機(jī)操作和32位ARM AMBA 高級(jí)外設(shè)總線（APB）從接口。基于標(biāo)準(zhǔn)的APB接口將IP連接到SoC的其余部分，同時(shí)總線連接到寄存器和直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）接口，從而實(shí)現(xiàn)輕松的IP集成，使設(shè)計(jì)人員能夠擁有完整的傳感器接口解決方案。

Cadence

作為聯(lián)盟成員Cadence可以提供MIPI I3C控制器。適用于MIPI I3C的Cadence控制器IP符合MIPI I3C規(guī)范，并與I2C規(guī)范兼容，其設(shè)計(jì)可快速輕松地集成到任何移動(dòng)嵌入式SoC設(shè)備中，并以更好的性能和電源效率擴(kuò)展傳感器通信能力。MIPI I3C控制器具有成為I3C總線上的啟動(dòng)器/主機(jī)或目標(biāo)的能力。

Cadence

瑞薩電子

今年，瑞薩電子與Intel聯(lián)手推出了面向下一代服務(wù)器主板和其他基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的I3C智能開關(guān)器件RG3MxxB12系列，為機(jī)架內(nèi)的每個(gè)子系統(tǒng)帶來(lái)先進(jìn)的平臺(tái)管理功能。I3C智能開關(guān)產(chǎn)品家族允許以最大速度將兩個(gè)發(fā)起設(shè)備（上行）端口擴(kuò)展到四個(gè)、八個(gè)或更多的目標(biāo)端口，是MIPI I3C基礎(chǔ)應(yīng)用很好的用例。

瑞薩電子

TI

隨著系統(tǒng)中目標(biāo)設(shè)備數(shù)量的增加，主機(jī)控制器必須考慮減少延遲、實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵警報(bào)功能以及降低通信期間的功耗。TI在今年推出了基于I3C的溫度傳感器TMP139，以解決DDR5 DIMM等復(fù)雜系統(tǒng)中的低延遲熱傳感挑戰(zhàn)。在I3C的助力下，TMP139溫度精度超過(guò)了規(guī)范要求，可實(shí)現(xiàn)更高性能的DDR5存儲(chǔ)器模塊。

TI

小結(jié)

I3C作為一種可擴(kuò)展、實(shí)用和控制的基于I2C升級(jí)而來(lái)的總線接口，能更為便捷得將外圍設(shè)備連接到應(yīng)用程序處理器，其簡(jiǎn)潔、集成性高、成本效率高的優(yōu)勢(shì)非常明顯，給智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車系統(tǒng)等任何移動(dòng)產(chǎn)品提供了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路。假以時(shí)日，I3C進(jìn)一步開放授權(quán)并強(qiáng)化性能，I3C取代傳統(tǒng)的I2C，SPI，UART等接口也不是不可能。