突破I2C速率與緊湊設計限制，I3C正在成為下一代主流串行通信技術
電子發燒友網報道（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，由Philips公司開發。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，已經被廣泛地應用于連接各種傳感器、液晶屏幕和存儲器當中。
但隨著應用場景需求的變化，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的廣泛應用已經說明了其在硬件通信中的穩固地位，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。在深度嵌入式應用中尤其如此，會嚴重影響緊湊型系統的設計。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本身應用比較寬泛，最終也沒能替代I2C。
在現在總線數據量開始膨脹的當下，I2C已經發展到了該技術的瓶頸。為了擺脫新需求下I2C的性能缺失，MIPI聯盟傳感器接口工作組很早就啟動了基于I2C的需求升級。
MIPI聯盟于2016年正式發布了第一個I3C規范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、發明中斷或連接、高數據速率模式、定時控制等功能。
I3C，作為I2C的升級版正式開始接過I2C手中串行總線技術的接力棒。這個被定義為智能多功能接口的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。
總的來看，I3C這種使用互補金屬氧化物半導體CMOS I/O實現串行通信的接口，使用兩線制來更大限度地減少引腳數量以及元件之間的信號路徑數量，這一點對于空間緊湊型的物聯網、可穿戴設備至關重要。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，并有助于實現更簡單、更靈活的設計。
I3C的功能演進
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在內存管理、通信調試、電源管理等方向上得以進一步發揮優勢。
到目前最新的版本v1.1.1，相關功能被做了進一步優化和增強，并將MIPI會員版和基本版做了區分。基礎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議的故障恢復能力。
相較于I2C，I3C傳輸速率上的提升是最明顯的，I2C協議規定了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I2C、SPI、UART都不具備的，也直接解決了數據量膨脹的傳輸需求。
傳輸速率升級并沒有帶來功耗的困擾，傳統I2C的兩根線SCL和SDA都需要接上拉電阻，上拉電阻的存在導致了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（每數據位）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根據協議規范，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特性的終端應用
從I2C到I3C的升級目前正在穩步推進中，I3C保留了向后兼容I2C的特性，在各個應用中慢慢進行升級并取代I2C。市場的轉變需要時間，不過目前已經有一些應用已經在I3C的加持下開始發揮獨特優勢。
最典型的就是智能手機和物聯網設備，這些設備里具有不少I2C和SPI器件的組合應用。I2C需要很多額外的從線連到設備的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，并且這些器件的應用增加了不少整體功耗。I3C機制的引入，既降低了系統的成本也大大降低了設計的復雜性。
在服務器或無線基站中，I3C也開始越來越多地被應用。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閉總線上的某些器件，從而實現“分段式供電”設計。在服務器或無線基站中有很多不可能讓系統斷電，需要熱插拔功能的設計，I3C這個特性對這些應用來說非常重要。
DDR5，MIPI I3C的核心應用，下一代的高性能數據系統肯定繞不開向I3C升級。DDR5 通過使用 MIPI I3C可以明顯的改善內存帶寬，解決下一代數據系統的設計難題。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。
隨著該技術的逐步取代I2C，小到智能手機、可穿戴設備、PC、大到汽車系統、計算中心，該技術一定將成為各種應用中的主流串行總線技術。
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