隨著物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，設(shè)備之間的通信需求變得越來(lái)越復(fù)雜。在這一背景下，I3C（MIPI I3C）協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生，為連接多種傳感器和外設(shè)提供了一種高效而靈活的解決方案。本文將詳細(xì)介紹I3C協(xié)議，并通過(guò)對(duì)比I2C和SPI通信，展示其優(yōu)勢(shì)。
I2C 協(xié)議簡(jiǎn)介
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種基于主從結(jié)構(gòu)的串行通信協(xié)議，常用于連接微控制器與傳感器、存儲(chǔ)器等外設(shè)。它使用兩根線（時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA）進(jìn)行雙向通信。
I2C的優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易用、適用于短距離通信等，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，包括速度相對(duì)較慢、主從設(shè)備數(shù)量受限等。
SPI 協(xié)議簡(jiǎn)介
SPI（Serial Peripheral Interface）是一種同步串行通信協(xié)議，通過(guò)四根線（時(shí)鐘線SCK、主設(shè)備輸出從設(shè)備輸入MOSI、主設(shè)備輸入從設(shè)備輸出MISO、片選線CS）進(jìn)行通信。SPI通常用于連接微控制器與外設(shè)、存儲(chǔ)器等。
SPI的優(yōu)勢(shì)在于高速傳輸、支持全雙工通信等，但也存在線數(shù)較多、硬件連接較為復(fù)雜等缺點(diǎn)。
I3C 協(xié)議特點(diǎn)
I3C是由MIPI聯(lián)盟開(kāi)發(fā)與完善，它是基于I2C協(xié)議改進(jìn)而來(lái)，誕生的目的是為了統(tǒng)一傳感器通訊協(xié)議，隨著Micro Chip的發(fā)展，MCU越來(lái)越強(qiáng)大，誕生了許多移動(dòng)設(shè)備，這些移動(dòng)設(shè)備主要使用I2C、SPI、Uart作為通訊協(xié)議，但并不統(tǒng)一，比如A傳感器使用Uart，B傳感器使用SPI，如果你想要在你的設(shè)備上使用這兩個(gè)傳感器那么需要在你的設(shè)備里集成Uart和SPI的通訊模塊，這無(wú)疑大大增加了MCU走線布局，其次Uart和SPI使用的線較多，SPI用了4根線，雖然SPI可以達(dá)到較高的傳輸赫茲，但是使用的線數(shù)較多，而且不能解決多主多從的情況，而Uart需要至少三根線，其次是Uart很慢且內(nèi)部中斷需要額外的GPIO線。
I2C雖然兩根線，但功能和傳輸速度都不算優(yōu)秀，而且中斷需要外接線，其次也不支持多主多從的情況。
同時(shí)這些協(xié)議有一個(gè)通病，就是不支持熱拔插，如果設(shè)備在連接著突然斷了，再次接入?yún)f(xié)議會(huì)影響繼續(xù)通訊，熱拔插是需要主設(shè)備恢復(fù)從設(shè)備的狀態(tài)，這個(gè)情況就影響了低功耗，比如某些傳感器在這一時(shí)刻需要進(jìn)入低功耗模式，進(jìn)入沉睡，那么此時(shí)喚醒就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)正常工作。
為此MIPI在I2C的基礎(chǔ)上誕生了I3C，它與I2C一樣使用兩根線，并且支持IBI中斷和熱拔插，同時(shí)頻率可以達(dá)到較高的頻率，因?yàn)樗cI2C不同，I2C兩根引腳使用的是開(kāi)漏輸出，開(kāi)漏內(nèi)部接地是無(wú)法輸出高電平的，如果需要輸出高電平必須外接上拉電阻才能實(shí)現(xiàn)高電平輸出，但是電阻會(huì)阻礙電流導(dǎo)通，所以會(huì)比較耗時(shí)，I2C最高也才達(dá)到5MB，但是I3C可達(dá)12.5MB，并且功能比I2C強(qiáng)大許多且它支持I2C，向前兼容。
只有在推挽輸出模式下I3C才可以達(dá)到12.5MB，并且特定模式下的頻率可以達(dá)20MB
I3C（MIPI I3C）協(xié)議融合了I2C和SPI的優(yōu)點(diǎn)，提供了更高的通信速度和更靈活的連接方式。以下是I3C協(xié)議的一些特點(diǎn)：
多主機(jī)支持：I3C協(xié)議允許多個(gè)主機(jī)設(shè)備同時(shí)連接總線，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
動(dòng)態(tài)地址分配：I3C支持動(dòng)態(tài)分配設(shè)備地址，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置和維護(hù)。
高速模式：I3C在支持I2C設(shè)備的同時(shí)，還提供了更高的通信速度，滿足對(duì)快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/span>
數(shù)據(jù)方向交替：I3C采用半雙工和全雙工的混合通信方式，使得數(shù)據(jù)方向更加靈活。
推挽輸出與漏極輸出
I3C與I2C不同之處在于SCL和SDA線兩根線分別使用了推挽與開(kāi)漏：SCL（推挽輸出時(shí)鐘線），SDA（開(kāi)漏輸出數(shù)據(jù)線），而I2C則全部使用開(kāi)漏輸出，則全部需要外接上拉電阻，這就降低了時(shí)鐘頻率。
SCL電路：
SDA電路：
奇偶校驗(yàn)位
與I2C不同，I3C為了安全與可靠，第九位采用的是奇偶校驗(yàn)位，原始的I2C第九位為ACK信號(hào)，接收方收到這個(gè)信號(hào)時(shí)需要把SDA拉低已表示收到ACK信號(hào)并返回確認(rèn)ACK信號(hào)告知主機(jī)已經(jīng)接收完成，I3C第九位使用的是奇偶校驗(yàn)位，XOR (Data [7:0], 1)，即所有位與1進(jìn)行異或的結(jié)果，接收方接收到以后需要自行異或并與第九位做比較，如果相同則回復(fù)ACK確認(rèn)，否則NACK要求重發(fā)
I3C總體下來(lái)每次傳輸數(shù)據(jù)可以說(shuō)是傳輸十位
data[7 : 0] → T [0] → ACK [0]
I3C把這個(gè)位稱之為T(mén)位，也叫過(guò)渡位/交換位
應(yīng)答的方式
I2C：發(fā)送方將SCL拉高，隨后將SDA也拉高，接收方需要在一個(gè)周期內(nèi)將SDA拉低以回應(yīng)確認(rèn)收到信息，如果周期內(nèi)沒(méi)有拉低則代表NACK
I3C：發(fā)送方將SCL拉低，隨后SDA拉高，從機(jī)需要將SDA拉低來(lái)確認(rèn)ACK，如果不將SDA拉低則意味著NACK
I3C上因?yàn)镾CL是推挽電路，但同時(shí)I3C仍然支持I2C的ACK確認(rèn)方式，只是某些情況下I3C要求只能使用I3C的方式來(lái)進(jìn)行ACK，這么做的目的是忽略掉總線上I2C的設(shè)備，例如分配動(dòng)態(tài)地址是時(shí)不想讓I2C設(shè)備參與進(jìn)來(lái)那么久使用這個(gè)方式來(lái)忽略掉I2C設(shè)備，因?yàn)閭鹘y(tǒng)I2C設(shè)備只會(huì)在SCL拉高時(shí)來(lái)確認(rèn)ACK，如果I3C將SCL拉低那么I2C設(shè)備會(huì)把此次通訊視為沒(méi)有ACK訊息視為失敗則放棄本次通訊。
I3C vs. I2C 和 SPI
下表對(duì)比了I3C、I2C和SPI協(xié)議的一些關(guān)鍵特點(diǎn)：
通過(guò)對(duì)比可以看出，I3C協(xié)議在多方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其是在支持多主機(jī)、動(dòng)態(tài)地址分配和通信速度等方面。在一些對(duì)性能和靈活性要求較高的應(yīng)用中，I3C協(xié)議成為一種理想的選擇。
I3C協(xié)議的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)提供了一種更先進(jìn)、更靈活的通信解決方案。它繼承了I2C和SPI的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了它們的不足之處。在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式應(yīng)用中，我們有理由期待I3C協(xié)議的更廣泛應(yīng)用。
支持I3C的Microchip MCU
2023年9月26日，微芯（Microchip）率先推出PIC18-Q20 系列單片機(jī)（MCU）是業(yè)界*具有多達(dá)兩個(gè)I3C外設(shè)和多電壓 I/O（MVIO）的低引腳數(shù)MCU。
PIC18-Q20 MCU采用14引腳和20引腳封裝，尺寸小至3x3mm，是實(shí)時(shí)控制、觸摸傳感和連接應(yīng)用的緊湊型解決方案。其I3C功能、靈活的外設(shè)和在三個(gè)獨(dú)立電壓域上工作的能力，非常適合在較大的整體系統(tǒng)中與主 MCU 配合使用。
該系列MCU可執(zhí)行主MCU無(wú)法高效執(zhí)行的任務(wù)，如處理傳感器數(shù)據(jù)、處理低延遲中斷和系統(tǒng)狀態(tài)報(bào)告。中央處理器（CPU）在不同的電壓域運(yùn)行，而I3C外設(shè)的工作電壓為1.0~3.6V。
