从I2C升级革新到I3C，I3C能否取代传统接口？

电子发烧友网报道（文/李宁远）I2C作为一种简单的双向二线制同步串行总线，已经为人们所熟知，在信息传输领域有着不少应用。此前大家对I2C的印象是结合了SPI和UART的优点，但随着应用的发展，I2C速率低、功耗大的短板日趋明显，这时就需要新的升级版的总线协议来接棒。
 
I3C，全称Improved Inter Integrated Circuit，作为I2C的升级版接过了这个I2C手中的接力棒。I3C整合并统一了I2C和SPI的关键属性，同时通过全面、可扩展的接口和体系结构改进每种方法的功能和性能。该规范还预测了未来移动、移动影响和嵌入式系统行业所需的传感器接口架构。
 
I3C，升级版I2C
 
在过去的几十年里，I2C的广泛应用可以说是有目共睹，但是其本身也有着两个避不开的缺点，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本身应用比较宽泛，最终也没能替代I2C。随着移动设备上传感器数量的增加，总线上数据量开始膨胀，I2C的瓶颈越来越明显。为了提升I2C的性能，早在2013年，MIPI联盟传感器接口工作组就启动了基于I2C的需求升级。
 
I3C作为I2C的升级版，在使用功率和性能方面有重大改进，同时速率也升级到可以替代SPI的中速，相当于SPI 30MHz下的速率。I3C规范的主要制定者包括NXP，Qualcomm，Intel，还有Invensense，TI，STM，Synopsys，Cadence，Mentor，Sony，Knowles，Lattice这些提供助力的厂商。
 
众所周知I2C是两根线，但是它的中断脚、使能脚等等都要通过GPIO连到SoC上，随着传感器数量的增加，使用I2C只能不断增加GPIO。I3C将这些中断做成了内置，可以帮SoC省去很多GPIO。I3C也是向后兼容I2C，I2C可以平稳地过渡到I3C。这一升级有效助力了智能手机、可穿戴设备、物联网设备、增强现实/虚拟现实和汽车系统实现更多设计创新。
 
I3C优势与应用场景在哪里
 

I2C与I3C传感器接口框图对比，NXP

 
从上图I2C与I3C传感器接口框图对比可以很明显地看到，虽然I2C说是只有时钟线数据线，但是还需要很多额外的从线连到SoC上，GPIO数量的增加以添加SoC包引脚和PCB层计数的形式增加了系统成本，相比之下I3C的布线情况就简洁很多，只需要两根信号线即可，可以显著缩小SoC尺寸。
 
至于功耗，众所周知I2C的两根线SCL和SDA都是需要接上拉电阻的，上拉电阻的存在导致了I2C功耗会比较大，I3C的SCL全程采用推挽，SDA大部分时间也在推挽模式下工作，因此功耗会降低很大一部分。
 

功耗与速率对比，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典型的数据模式SDR是12MHz下的10.6Mbps，最高速率是HDR模式下的三元采样，达到12.5MHz下的30Mbps。
 
另外，I2C是没有命令字的，I3C则有着一整套通用命令字的集合。可以通过这些命令字实现动态地址分配、检查当前总线状态、时间控制、IO扩展等等功能。整个功能比I2C有着全面的提升。
 
从I3C最典型的SDR信号处理上来看，动态地址分配后其启动条件与I2C相同（SCL和SDA从高降到底），但接下来就不同了，I3C SCL可以达到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，主机就会将SDA更改为推挽模式，并将其时钟增加到12.5 MHz使器件进入SDR模式。
 
地址仲裁可以说是I3C极为重要的特性。上面提到，I3C将中断内置（IBI）进来了，当Slave产生中断时，IBI就会主动向主机发送中断信息，上传地址与其他信息。多个Slave同时产生中断，这时候就有多个地址信息，就需要进行地址仲裁判别优先级。地址仲裁遵从一个原则，那就是0s优先，哪个Slave小哪个优先级更高。地址冲裁也对热插拔、动态地址分配以及多主机申请判别同样有效。
 
I3C规范的更新
 
I3C协议V1.1.1的两部分（MIPI会员版和基本版）均是在在去年发布。在最新的V1.1.1版本中，Slave增加了Reset机制，简单来讲就是使用退出HDR模式的方法增强了协议的故障恢复能力。
 
其次，增加了Group的寻址方式，可以对多个Slave进行分组然后进行寻址，类似于PMBus；再者是引入了HDR-BT模式，以12.5MHz提供高达97Mbps的数据速率；对于DDR模式则增加了Slave的中止、CRC功能；另外，Device-to-device tunnel机制也加入进来，实现Slave之间的直接通信。
 
I3C厂商动向
 
NXP
 
NXP作为I3C协议的主要制定者，提供IP与Silvaco合作，提供Free Basic Slave、Standard Slave、Advanced Slave以及主机四种不同包装的I3C产品，根据不同具体应用的区别，可以为Slave模块添加1.5K到2.5K的门，消耗的功率也很小，并支持采用时钟门控和其他方法来限制功耗。其后端可以在没有系统时钟的情况下运行。在NXP的RT系列MCU中，也可以看到I3C的身影。
 
Synopsys
 
Synopsys也发布了DesignWare MIPI I3C控制器IP，可以将更多传感器集成到系统中，同时简化电路板设计并降低总体成本和功耗。DesignWare MIPI I3C控制器IP多主机操作和32位ARM AMBA 高级外设总线（APB）从接口。基于标准的APB接口将IP连接到SoC的其余部分，同时总线连接到寄存器和直接存储器访问（DMA）接口，从而实现轻松的IP集成，使设计人员能够拥有完整的传感器接口解决方案。
 
Cadence
 
作为联盟成员Cadence可以提供MIPI I3C控制器。适用于MIPI I3C的Cadence控制器IP符合MIPI I3C规范，并与I2C规范兼容，其设计可快速轻松地集成到任何移动嵌入式SoC设备中，并以更好的性能和电源效率扩展传感器通信能力。MIPI I3C控制器具有成为I3C总线上的启动器/主机或目标的能力。
 

Cadence

 
瑞萨电子
 
今年，瑞萨电子与Intel联手推出了面向下一代服务器主板和其他基础设施设备的I3C智能开关器件RG3MxxB12系列，为机架内的每个子系统带来先进的平台管理功能。I3C智能开关产品家族允许以最大速度将两个发起设备（上行）端口扩展到四个、八个或更多的目标端口，是MIPI I3C基础应用很好的用例。
 

瑞萨电子

 
TI
 
随着系统中目标设备数量的增加，主机控制器必须考虑减少延迟、实现关键警报功能以及降低通信期间的功耗。TI在今年推出了基于I3C的温度传感器TMP139，以解决DDR5 DIMM等复杂系统中的低延迟热传感挑战。在I3C的助力下，TMP139温度精度超过了规范要求，可实现更高性能的DDR5存储器模块。
 

TI

 
小结
 
I3C作为一种可扩展、实用和控制的基于I2C升级而来的总线接口，能更为便捷得将外围设备连接到应用程序处理器，其简洁、集成性高、成本效率高的优势非常明显，给智能手机、可穿戴设备、汽车系统等任何移动产品提供了创新的设计思路。假以时日，I3C进一步开放授权并强化性能，I3C取代传统的I2C，SPI，UART等接口也不是不可能。