電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）I2C總線，一個為大家熟知的簡單、雙向二線制同步串行總線技術(shù)，由Philips公司開發(fā)。I2C只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于連接各種傳感器、液晶屏幕和存儲器當(dāng)中。

此前大家對I2C的印象是結(jié)合了SPI和UART的優(yōu)點，既輕巧又簡單，而且成本還不高。I2C能夠在控制器和外圍設(shè)備之間進行快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它還能支持互連多個設(shè)備，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的傳輸。

但隨著應(yīng)用場景需求的變化，I2C長期以來的短板被充分地暴露了出來，串行總線技術(shù)也由此迎來了升級。

I2C式微，從I2C升級到I3C

在過去的幾十年里，I2C的廣泛應(yīng)用已經(jīng)說明了其在硬件通信中的穩(wěn)固地位，其輕巧、簡單、成本低的特性有目共睹。不過I2C雖然是嵌入式器件的主要接口選擇，實現(xiàn)起來相對簡單并且多年來已被廣泛采用，但它缺乏某些重要特性，并存在局限性，有著避不開的缺點。在深度嵌入式應(yīng)用中尤其如此，會嚴重影響緊湊型系統(tǒng)的設(shè)計。這些缺點一是速率受限，二是傳輸距離受限，三是功耗偏大。

I2C協(xié)議的通信距離是相對較短的，很容易受到電纜長度和信號衰減等因素的影響，所以一般近距離的設(shè)備連接才會使用I2C。傳輸速率并不是I2C的專長，此前因為傳輸速率受限，也有不少SPI代替I2C的做法，但是SPI本身應(yīng)用比較寬泛，最終也沒能替代I2C。

隨著智能手機、可穿戴設(shè)備、IoT設(shè)備、汽車系統(tǒng)以及服務(wù)器環(huán)境變得越來越先進和復(fù)雜，需要更精簡、高性能、可擴展和具有成本效益的通信接口來控制和高速傳輸數(shù)據(jù)，并需要節(jié)能和節(jié)省空間的設(shè)計。

在現(xiàn)在總線數(shù)據(jù)量開始膨脹的當(dāng)下，I2C已經(jīng)發(fā)展到了該技術(shù)的瓶頸。為了擺脫新需求下I2C的性能缺失，MIPI聯(lián)盟傳感器接口工作組很早就啟動了基于I2C的需求升級。

MIPI聯(lián)盟于2016年正式發(fā)布了第一個I3C規(guī)范v1.0。最初版本的I3C旨在提供集成不同類型傳感器所需的功能基線，包括高時鐘速度、發(fā)明中斷或連接、高數(shù)據(jù)速率模式、定時控制等功能。

I3C，作為I2C的升級版正式開始接過I2C手中串行總線技術(shù)的接力棒。這個被定義為智能多功能接口的I3C，整合并統(tǒng)一了I2C和SPI的關(guān)鍵屬性，同時通過全面、可擴展的接口和體系結(jié)構(gòu)改進每種方法的功能和性能。該規(guī)范還預(yù)測了未來移動、移動影響和嵌入式系統(tǒng)行業(yè)所需的傳感器接口架構(gòu)。

總的來看，I3C這種使用互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS I/O實現(xiàn)串行通信的接口，使用兩線制來更大限度地減少引腳數(shù)量以及元件之間的信號路徑數(shù)量，這一點對于空間緊湊型的物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備至關(guān)重要。同時此接口支持在極低的功率級別下使用更高帶寬的工作模式，并有助于實現(xiàn)更簡單、更靈活的設(shè)計。

I3C的功能演進

I3C v1.0發(fā)布后，后續(xù)又更新迭代了多個版本，2018年I3C basic v1.0發(fā)布，主要開放了非MIPI成員的功能受限可用版本，并追加了傳感器集成和DDR5相關(guān)的基礎(chǔ)功能。

到2019年的v1.1版本，更多功能被引入進來，HDR-BT Mode、Group Addressing、Multi-Lane for Speed、Target Reset等功能加入。這些功能的引入，讓I3C在內(nèi)存管理、通信調(diào)試、電源管理等方向上得以進一步發(fā)揮優(yōu)勢。

到目前最新的版本v1.1.1，相關(guān)功能被做了進一步優(yōu)化和增強，并將MIPI會員版和基本版做了區(qū)分?；A(chǔ)版中缺失的功能也被補充了進來，比如Slave增加了Reset機制，使用退出HDR模式的方法增強了協(xié)議的故障恢復(fù)能力。

相較于I2C，I3C傳輸速率上的提升是最明顯的，I2C協(xié)議規(guī)定了100K、400K和3.4M三種速率（bps）。而I3C支持從12.5 Mbps到接近37.5 Mbps的通信速率。這是傳統(tǒng)I2C、SPI、UART都不具備的，也直接解決了數(shù)據(jù)量膨脹的傳輸需求。

傳輸速率升級并沒有帶來功耗的困擾，傳統(tǒng)I2C的兩根線SCL和SDA都需要接上拉電阻，上拉電阻的存在導(dǎo)致了I2C功耗會比較大。而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。

二者的能耗（每數(shù)據(jù)位）對比上，SDR模式下I2C能耗達到了接近4，而I3C不會超過1.5。功耗的大幅降低讓I3C能夠更輕松地適配各種傳輸應(yīng)用。而且I3C還有降低速率保證精度的工作模式，這一模式下，能耗會進一步降低。

另一個痛點是傳輸距離，I2C的理論傳輸距離是可以到10米的，但是實際應(yīng)用中遠到不了這個傳輸距離。I2C極容易受到干擾，基本上只適合用于板極器件的通信，中距離都不一定能夠勝任。

I3C根據(jù)協(xié)議規(guī)范，其通信距離理論上是能到100米的。雖然實際中不大可能去挑戰(zhàn)這個理論傳輸距離，但是中距離的通信傳輸是沒有問題的，I3C整個可負載量的提升也提高了其抗干擾能力，不會像I2C一樣容易受到干擾。

凸顯I3C特性的終端應(yīng)用

從I2C到I3C的升級目前正在穩(wěn)步推進中，I3C保留了向后兼容I2C的特性，在各個應(yīng)用中慢慢進行升級并取代I2C。市場的轉(zhuǎn)變需要時間，不過目前已經(jīng)有一些應(yīng)用已經(jīng)在I3C的加持下開始發(fā)揮獨特優(yōu)勢。

最典型的就是智能手機和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備里具有不少I2C和SPI器件的組合應(yīng)用。I2C需要很多額外的從線連到設(shè)備的SoC上，GPIO數(shù)量的增加以添加SoC包引腳和PCB層計數(shù)的形式增加了系統(tǒng)成本，并且這些器件的應(yīng)用增加了不少整體功耗。I3C機制的引入，既降低了系統(tǒng)的成本也大大降低了設(shè)計的復(fù)雜性。

在服務(wù)器或無線基站中，I3C也開始越來越多地被應(yīng)用。這要歸功于I3C熱加入功能的引入，熱加入功能可以在運行期間開啟和關(guān)閉總線上的某些器件，從而實現(xiàn)“分段式供電”設(shè)計。在服務(wù)器或無線基站中有很多不可能讓系統(tǒng)斷電，需要熱插拔功能的設(shè)計，I3C這個特性對這些應(yīng)用來說非常重要。

DDR5，MIPI I3C的核心應(yīng)用，下一代的高性能數(shù)據(jù)系統(tǒng)肯定繞不開向I3C升級。DDR5 通過使用 MIPI I3C可以明顯的改善內(nèi)存帶寬，解決下一代數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計難題。I3C提供高性能的超過30Mbps（單通道模式）和 100Mbps（四通道模式）的速度對DDR5的優(yōu)化作用是不言而喻的。

寫在最后

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，能更為便捷地將外圍設(shè)備連接到應(yīng)用程序處理器，其簡潔、集成性高、成本效率高的優(yōu)勢非常明顯，給智能手機、可穿戴設(shè)備、汽車系統(tǒng)等任何移動產(chǎn)品提供了創(chuàng)新的設(shè)計思路。

隨著該技術(shù)的逐步取代I2C，小到智能手機、可穿戴設(shè)備、PC、大到汽車系統(tǒng)、計算中心，該技術(shù)一定將成為各種應(yīng)用中的主流串行總線技術(shù)。