突破I2C速率與緊湊設(shè)計(jì)限制，I3C正在成為下一代主流串行通信技術(shù)
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）I2C總線，一個(gè)為大家熟知的簡(jiǎn)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(chǔ)器當(dāng)中。
此前大家對(duì)I2C的印象是結(jié)合了SPI和UART的優(yōu)點(diǎn)，既輕巧又簡(jiǎn)單，而且成本還不高。I2C能夠在控制器和外圍設(shè)備之間進(jìn)行快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，它還能支持互連多個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的傳輸。
但隨著應(yīng)用場(chǎng)景需求的變化，I2C長(zhǎng)期以來(lái)的短板被充分地暴露了出來(lái)，串行總線技術(shù)也由此迎來(lái)了升級(jí)。
I2C式微，從I2C升級(jí)到I3C
在過(guò)去的幾十年里，I2C的廣泛應(yīng)用已經(jīng)說(shuō)明了其在硬件通信中的穩(wěn)固地位，其輕巧、簡(jiǎn)單、成本低的特性有目共睹。不過(guò)I2C雖然是嵌入式器件的主要接口選擇，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單并且多年來(lái)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(diǎn)。在深度嵌入式應(yīng)用中尤其如此，會(huì)嚴(yán)重影響緊湊型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這些缺點(diǎn)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(duì)較短的，很容易受到電纜長(zhǎng)度和信號(hào)衰減等因素的影響，所以一般近距離的設(shè)備連接才會(huì)使用I2C。傳輸速率并不是I2C的專長(zhǎng)，此前因?yàn)閭鬏斔俾适芟?，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。
隨著智能手機(jī)、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(lái)越先進(jìn)和復(fù)雜，需要更精簡(jiǎn)、高性能、可擴(kuò)展和具有成本效益的通信接口來(lái)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(jì)。
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(dòng)了基于I2C的需求升級(jí)。
MIPI聯(lián)盟于2016年正式發(fā)布了第一個(gè)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(shí)鐘速度、發(fā)明中斷或連接、高數(shù)據(jù)速率模式、定時(shí)控制等功能。
I3C，作為I2C的升級(jí)版正式開始接過(guò)I2C手中串行總線技術(shù)的接力棒。這個(gè)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(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)。
總的來(lái)看，I3C這種使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS I/O實(shí)現(xiàn)串行通信的接口，使用兩線制來(lái)更大限度地減少引腳數(shù)量以及元件之間的信號(hào)路徑數(shù)量，這一點(diǎn)對(duì)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(shí)此接口支持在極低的功率級(jí)別下使用更高帶寬的工作模式，并有助于實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更靈活的設(shè)計(jì)。
I3C的功能演進(jìn)
I3C v1.0發(fā)布后，后續(xù)又更新迭代了多個(gè)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(jìn)來(lái)，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(jìn)一步發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
到目前最新的版本v1.1.1，相關(guān)功能被做了進(jìn)一步優(yōu)化和增強(qiáng)，并將MIPI會(huì)員版和基本版做了區(qū)分?；A(chǔ)版中缺失的功能也被補(bǔ)充了進(jìn)來(lái)，比如Slave增加了Reset機(jī)制，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。
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(jí)并沒(méi)有帶來(lái)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(huì)比較大。而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。
二者的能耗（每數(shù)據(jù)位）對(duì)比上，SDR模式下I2C能耗達(dá)到了接近4，而I3C不會(huì)超過(guò)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(huì)進(jìn)一步降低。
另一個(gè)痛點(diǎn)是傳輸距離，I2C的理論傳輸距離是可以到10米的，但是實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)到不了這個(gè)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(shí)際中不大可能去挑戰(zhàn)這個(gè)理論傳輸距離，但是中距離的通信傳輸是沒(méi)有問(wèn)題的，I3C整個(gè)可負(fù)載量的提升也提高了其抗干擾能力，不會(huì)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(jí)目前正在穩(wěn)步推進(jìn)中，I3C保留了向后兼容I2C的特性，在各個(gè)應(yīng)用中慢慢進(jìn)行升級(jí)并取代I2C。市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變需要時(shí)間，不過(guò)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。
最典型的就是智能手機(jī)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(jì)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(jī)制的引入，既降低了系統(tǒng)的成本也大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
在服務(wù)器或無(wú)線基站中，I3C也開始越來(lái)越多地被應(yīng)用。這要?dú)w功于I3C熱加入功能的引入，熱加入功能可以在運(yùn)行期間開啟和關(guān)閉總線上的某些器件，從而實(shí)現(xiàn)“分段式供電”設(shè)計(jì)。在服務(wù)器或無(wú)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(jì)，I3C這個(gè)特性對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(jí)。DDR5 通過(guò)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(jì)難題。I3C提供高性能的超過(guò)30Mbps（單通道模式）和 100Mbps（四通道模式）的速度對(duì)DDR5的優(yōu)化作用是不言而喻的。
寫在最后
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，能更為便捷地將外圍設(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。
隨著該技術(shù)的逐步取代I2C，小到智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、PC、大到汽車系統(tǒng)、計(jì)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)。
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