從I2C升級革新到I3C，I3C能否取代傳統接口？

電子發燒友網報道（文/李寧遠）I2C作為一種簡單的雙向二線制同步串行總線，已經為人們所熟知，在信息傳輸領域有著不少應用。此前大家對I2C的印象是結合了SPI和UART的優點，但隨著應用的發展，I2C速率低、功耗大的短板日趨明顯，這時就需要新的升級版的總線協議來接棒。

I3C，全稱Improved Inter Integrated Circuit，作為I2C的升級版接過了這個I2C手中的接力棒。I3C整合并統一了I2C和SPI的關鍵屬性，同時通過全面、可擴展的接口和體系結構改進每種方法的功能和性能。該規范還預測了未來移動、移動影響和嵌入式系統行業所需的傳感器接口架構。

I3C，升級版I2C

在過去的幾十年里，I2C的廣泛應用可以說是有目共睹，但是其本身也有著兩個避不開的缺點，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本身應用比較寬泛，最終也沒能替代I2C。隨著移動設備上傳感器數量的增加，總線上數據量開始膨脹，I2C的瓶頸越來越明顯。為了提升I2C的性能，早在2013年，MIPI聯盟傳感器接口工作組就啟動了基于I2C的需求升級。

I3C作為I2C的升級版，在使用功率和性能方面有重大改進，同時速率也升級到可以替代SPI的中速，相當于SPI 30MHz下的速率。I3C規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GPIO連到SoC上，隨著傳感器數量的增加，使用I2C只能不斷增加GPIO。I3C將這些中斷做成了內置，可以幫SoC省去很多GPIO。I3C也是向后兼容I2C，I2C可以平穩地過渡到I3C。這一升級有效助力了智能手機、可穿戴設備、物聯網設備、增強現實/虛擬現實和汽車系統實現更多設計創新。

I3C優勢與應用場景在哪里

I2C與I3C傳感器接口框圖對比，NXP

從上圖I2C與I3C傳感器接口框圖對比可以很明顯地看到，雖然I2C說是只有時鐘線數據線，但是還需要很多額外的從線連到SoC上，GPIO數量的增加以添加SoC包引腳和PCB層計數的形式增加了系統成本，相比之下I3C的布線情況就簡潔很多，只需要兩根信號線即可，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，上拉電阻的存在導致了I2C功耗會比較大，I3C的SCL全程采用推挽，SDA大部分時間也在推挽模式下工作，因此功耗會降低很大一部分。

功耗與速率對比，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典型的數據模式SDR是12MHz下的10.6Mbps，最高速率是HDR模式下的三元采樣，達到12.5MHz下的30Mbps。

另外，I2C是沒有命令字的，I3C則有著一整套通用命令字的集合?？梢酝ㄟ^這些命令字實現動態地址分配、檢查當前總線狀態、時間控制、IO擴展等等功能。整個功能比I2C有著全面的提升。

從I3C最典型的SDR信號處理上來看，動態地址分配后其啟動條件與I2C相同（SCL和SDA從高降到底），但接下來就不同了，I3C SCL可以達到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，主機就會將SDA更改為推挽模式，并將其時鐘增加到12.5 MHz使器件進入SDR模式。

地址仲裁可以說是I3C極為重要的特性。上面提到，I3C將中斷內置（IBI）進來了，當Slave產生中斷時，IBI就會主動向主機發送中斷信息，上傳地址與其他信息。多個Slave同時產生中斷，這時候就有多個地址信息，就需要進行地址仲裁判別優先級。地址仲裁遵從一個原則，那就是0s優先，哪個Slave小哪個優先級更高。地址沖裁也對熱插拔、動態地址分配以及多主機申請判別同樣有效。

I3C規范的更新

I3C協議V1.1.1的兩部分（MIPI會員版和基本版）均是在在去年發布。在最新的V1.1.1版本中，Slave增加了Reset機制，簡單來講就是使用退出HDR模式的方法增強了協議的故障恢復能力。

其次，增加了Group的尋址方式，可以對多個Slave進行分組然后進行尋址，類似于PMBus；再者是引入了HDR-BT模式，以12.5MHz提供高達97Mbps的數據速率；對于DDR模式則增加了Slave的中止、CRC功能；另外，Device-to-device tunnel機制也加入進來，實現Slave之間的直接通信。

I3C廠商動向

NXP

NXP作為I3C協議的主要制定者，提供IP與Silvaco合作，提供Free Basic Slave、Standard Slave、Advanced Slave以及主機四種不同包裝的I3C產品，根據不同具體應用的區別，可以為Slave模塊添加1.5K到2.5K的門，消耗的功率也很小，并支持采用時鐘門控和其他方法來限制功耗。其后端可以在沒有系統時鐘的情況下運行。在NXP的RT系列MCU中，也可以看到I3C的身影。

Synopsys

Synopsys也發布了DesignWare MIPI I3C控制器IP，可以將更多傳感器集成到系統中，同時簡化電路板設計并降低總體成本和功耗。DesignWare MIPI I3C控制器IP多主機操作和32位ARM AMBA 高級外設總線（APB）從接口?；跇藴实腁PB接口將IP連接到SoC的其余部分，同時總線連接到寄存器和直接存儲器訪問（DMA）接口，從而實現輕松的IP集成，使設計人員能夠擁有完整的傳感器接口解決方案。

Cadence

作為聯盟成員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規范，并與I2C規范兼容，其設計可快速輕松地集成到任何移動嵌入式SoC設備中，并以更好的性能和電源效率擴展傳感器通信能力。MIPI I3C控制器具有成為I3C總線上的啟動器/主機或目標的能力。

Cadence

瑞薩電子

今年，瑞薩電子與Intel聯手推出了面向下一代服務器主板和其他基礎設施設備的I3C智能開關器件RG3MxxB12系列，為機架內的每個子系統帶來先進的平臺管理功能。I3C智能開關產品家族允許以最大速度將兩個發起設備（上行）端口擴展到四個、八個或更多的目標端口，是MIPI I3C基礎應用很好的用例。

瑞薩電子

TI

隨著系統中目標設備數量的增加，主機控制器必須考慮減少延遲、實現關鍵警報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等復雜系統中的低延遲熱傳感挑戰。在I3C的助力下，TMP139溫度精度超過了規范要求，可實現更高性能的DDR5存儲器模塊。

TI

小結

I3C作為一種可擴展、實用和控制的基于I2C升級而來的總線接口，能更為便捷得將外圍設備連接到應用程序處理器，其簡潔、集成性高、成本效率高的優勢非常明顯，給智能手機、可穿戴設備、汽車系統等任何移動產品提供了創新的設計思路。假以時日，I3C進一步開放授權并強化性能，I3C取代傳統的I2C，SPI，UART等接口也不是不可能。