計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，三十年前，一間房子大小的小型機(jī)的算力，到現(xiàn)在還比不上大家手機(jī)CPU的算力。令人吃驚的是，有這么一種38年前的技術(shù)，現(xiàn)在還在大家的電腦中運(yùn)用十分廣泛，甚至它的控制器在計(jì)算機(jī)中的個(gè)數(shù)在過去五年中增長了兩倍，這項(xiàng)技術(shù)就是I2C （Inter-Integrated Circuit，IIC）總線。

就在某些新入行的同學(xué)還在糾結(jié)I2C和計(jì)算機(jī)中另一個(gè)相似總線SMBus的區(qū)別的時(shí)候，另一種替代I2C的新總線I3C已經(jīng)出現(xiàn)在地平線上。春江水暖鴨先知，跟蹤最新技術(shù)的朋友也許已經(jīng)在Intel路線圖和DDR5內(nèi)存規(guī)格書中看到了這個(gè)名字了。現(xiàn)在是時(shí)候最后分清楚I2C和SMBus的區(qū)別，為I3C的到來做好準(zhǔn)備了。

I2C vs SMBus?

I2C（Inter-Integrated Circuit，IIC） 最初由飛利浦（Philips）半導(dǎo)體（后并入NXP）在1982年提出，主要目的是提供一種簡單的、成本低廉的串行總線，用于MCU和電視機(jī)原件進(jìn)行通信。它在最初是由一個(gè)Master（可以多Master）和可以多達(dá)127個(gè)Slave在由兩根線（SDA, SCL）組成的總線上進(jìn)行通訊。

這樣MCU就可以不用再單獨(dú)和各個(gè)設(shè)備通訊，而僅僅用兩根線就可以和所有外圍設(shè)備愉快的通話了。這兩根線分別是數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）。如此這般，大大 節(jié)約了芯片引腳數(shù)目 ，方便主板布線，節(jié)省了整體成本。良好的設(shè)計(jì)，慢慢讓它得到了廣泛應(yīng)用。這些年下來，I2C從省電和提高速度方面進(jìn)行了三次版本升級(jí)，速度從10KHz提高到最高可達(dá)5MHz?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，大多數(shù)低速設(shè)備都是靠I2C通訊：大多數(shù)傳感器的數(shù)據(jù)讀取界面是I2C；Clock芯片CK404界面是I2C；內(nèi)存條SPD信息的讀取界面是I2C；有些控制器的界面是I2C，等等。隨著速度提高，有些中速設(shè)備也是I2C：經(jīng)常遇到的例子是筆記本電腦的觸摸板（Touch Pad）和觸摸屏（Touch Panel），只不過界面是HS I2C。

電腦里面常有的一個(gè)容易混亂的相似總線是SMBus，它由Intel在1995發(fā)布，最早用于和智能電池的通訊，后也經(jīng)過三次提高，于2000年左右成熟后一直變化不大。SMBus脫胎于I2C，他可以說是I2C的一個(gè)子集。它在大部分情況下，也由一個(gè)Master（可以多Master）和眾多Slave組成，用兩根線（SMBDAT和SMBCLK）進(jìn)行通訊：

I2C和SMBus兩者在一般應(yīng)用下，區(qū)別不大，甚至大多數(shù)情況下互用也沒有問題。更讓人迷惑的是，兩者可以同時(shí)出現(xiàn)在一些設(shè)計(jì)中，這讓一些同學(xué)相當(dāng)疑惑，兩者到底有什么區(qū)別？在I2C上重新發(fā)明一遍輪子有何意義呢？

答案在于I2C偏重速度，而SMBus偏重可靠性和成本。 I2C速度從10KHz起步（理論上可以更低至0），最高5MHz；而SMBus最低10KHz，最高100KHz。也 就是說在10KHz到100KHz上，兩者才通用 ，這就排除了中速和高速設(shè)備。I2C不強(qiáng)制Slave對(duì)地址請(qǐng)求發(fā)送回應(yīng)（ACK），而SMBus要求必須ACK。于此對(duì)應(yīng)，SMBus對(duì)NACK的要求也嚴(yán)格于I2C。這是因?yàn)镾MBus面向電腦中很多可拆卸設(shè)備，必須確定該設(shè)備是否存在，避免誤操作。SMBus還加入了WatchDog，在SMBCLK拉低后，不得超過35ms（這就是10KHz的最低頻率的由來），否則Slave應(yīng)該Reset。而I2C并沒有該限制。這讓SMBus避免了復(fù)雜的錯(cuò)誤恢復(fù)電路。SMBus還提供了單獨(dú)的SMBSUS來用于Slave向Master報(bào)警。

I2C有什么缺陷？

I2C兩根線的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡潔而高效，讓MCU、PCH或CPU通過兩個(gè)PIN就可以通訊，節(jié)約了成本和簡化了設(shè)計(jì)。但是，所有的通訊都是由Master發(fā)起，Slave只是被動(dòng)相應(yīng)，這造成很大的麻煩。如果是輸出設(shè)備還行，但對(duì)輸入設(shè)備，CPU不知道有沒有數(shù)據(jù)，不得不定時(shí)Pull I2C總線，看看輸入存在與否，這與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷相反。隨著I2C使用越來越廣，越來越多的設(shè)備加入了更多的帶外（sideband）線來補(bǔ)足I2C的缺點(diǎn)，其中最重要的兩個(gè)線就是中斷線INT和一些RESET線，一個(gè)經(jīng)典設(shè)計(jì)如下：

I2C經(jīng)典設(shè)計(jì)

在圖中，左邊慢速I2C設(shè)備雖然共用了一個(gè)I2C總線，但每個(gè)設(shè)備都有自己的INT和Host相連，用于通知Host有事發(fā)生，而不是讓Host不停來查詢，這樣才能讓Host沒事進(jìn)入省電狀態(tài)，更加高效。右邊的高速設(shè)備更是另辟自己的高速I2C總線。如此這般，理想中的簡潔設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中越來越被破壞的支離破碎，常常是INT線比I2C線多得多。再加上進(jìn)一步提高速度的需求，業(yè)界呼喚一種新的解決方案。于是I3C應(yīng)運(yùn)而生。

I3C來了

MIPI Alliance發(fā)布了I3C標(biāo)準(zhǔn)[1]（Basic免費(fèi)下載）。I3C(Improved Inter Integrated Circuit)另一個(gè)名字叫做SenseWire，顧名思義，它的初衷是滿足眾多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的Sensor的，它帶來眾多的改進(jìn)，除了常說的12.5MHz速度的提高之外：

更重要的是嵌入進(jìn)協(xié)議的軟中斷。如此，就不需要單獨(dú)的INT連線了：

I3C設(shè)計(jì)

眾多帶外連線不見，高速I2C也不需要了，真正實(shí)現(xiàn)了高速和簡潔。它還向下兼容I2C，以前的設(shè)備也還用得上，一個(gè)混合系統(tǒng)是這樣：

它還節(jié)省了電力消耗：

I3C還有其他許多亮度：為了簡化設(shè)計(jì)，提出了I3C Hub；參考內(nèi)存DDR的概念，提出了DDR加倍數(shù)據(jù)傳輸；支持省電模式；In-bound CRC校驗(yàn)；Slave和Slave直接通訊。

結(jié)論

曾經(jīng)有個(gè)同學(xué)把I2C叫做"I(ai),2(er),C(ci)"而被人狠狠嘲笑了一番，譏笑者一臉傲嬌的說“應(yīng)該叫做I方C！這個(gè)“2”是指“平方”！”，更有非要用英文說"I-squared-C"來顯示技術(shù)niubility和知識(shí)淵博的。而實(shí)際上，我聽美國同事中叫它"I-squared-C"和"I-two-C"差不多一半一半，如此說來中文說法"I(ai),2(er),C(ci)"也并不過分。到了I3C，不知道傲嬌的同學(xué)如何用中文叫它，難道叫做“I三次方C”？也許可以和英文“I-three-C”一樣，叫做“I，3，C”就可以了。