1 應用簡報

I²C 和 SPI 長期以來一直是嵌入式器件的主要接口選擇。雖然這些接口實現起來相對簡單并且多年來已被廣泛采用，但它們都缺乏某些重要特性，并存在局限性。在深度嵌入式應用中尤其如此，因此會顯著影響緊湊型系統的設計。在 I²C 中，這些局限性包括有一個 7 位固定地址可能導致 I²C 總線上發生沖突、無帶內中斷或目標復位（需要額外的導線/引腳）、受限的數據速率，以及目標能夠拉伸時鐘（可能在長時間連接的會話中掛起系統）。在 SPI 中，一些主要局限性包括每個器件有一個芯片選擇引腳但需要四條通信線路，以及由于缺少明確定義的標準而存在許多不同的實現方式。

隨著智能手機、可穿戴設備、IoT（物聯網）設備、汽車系統以及服務器環境變得越來越先進和復雜，需要更精簡、高性能、可擴展和具有成本效益的通信接口來控制和高速傳輸數據，并需要節能和節省空間的設計。

I3C（改進的內部集成電路）旨在突破傳統接口（I²C 和 SPI）的局限性并添加其他增強功能。由 MIPI 聯盟制定的 I3C 規范 [1] 是一種智能的多功能接口，根據傳統 I²C 和 SPI 接口的關鍵屬性進行了改進，旨在提供新的、統一的、高性能的解決方案。I3C 是一種使用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) I/O 實現的串行通信接口，使用兩線制接口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。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 標準旨在一定程度保留與 I2C 系統的向后兼容性，尤其是在設計中允許將現有的 I2C 器件連接到 I3C 總線，但仍支持切換到更高的數據速率，從而在兼容的 I3C 器件之間以更高的速度進行通信。

圖 1-1 將各種 MIPI I3C 模式與 I2C 進行能耗（每位）的比較（左）以及相應原始比特率的比較（右）[2]。

MIPI I3C 最初專為移動應用設計，作為單一接口，可用于所有數字連接的傳感器。但是，它現在適用于所有中速嵌入式和深度嵌入式應用，也包括更廣泛的使用案例和行業，例如內存管理、服務器控制以及企業、工廠自動化和通信設備。圖 1-2 匯總了 I3C 接口的主要特性。

突出 I3C 主要特性的一些終端設備應用包括：

• 典型的智能手機和物聯網設備可能具有 I2C 和 SPI 器件的組合，其中有四條線路用于 SPI，有兩條線路用于 I2C，另外每個外設還各有一條中斷線路。更多的器件意味著需要更多的邏輯線路并增加總體功耗。I3C 的帶內中斷 功能可提供低成本喚醒機制，在這種機制下，I3C 目標可以在總線空閑時請求中斷；該設計無需為每個目標單獨使用通用輸入/輸出 (GPIO)，從而降低系統成本和復雜性。I3C 還引入了動態尋址 功能，這一功能在更改目標器件的優先級以便增加或減少該器件發出的帶內中斷時非常重要。
• 在大多數 PC/主板應用中，I3C 器件用于可能存在多個控制器、大量端點器件和較長布線（所有這些因素都會影響總線復雜性和信號完整性）的情況。I3C 的多控制器和多點 功能具有明確的控制器間切換協議，使總線上的器件能夠請求擔任控制器角色。因此，總線架構不限于單個固定控制器器件和多個目標器件。
• 在 I3C 中，目標被允許加入已配置的總線，并由 I3C 控制器分配一個動態地址。憑借 I3C 中的這種熱加入 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，僅在需要時才使相關單元保持活動狀態。在一些應用中，如果不希望或不可能讓系統斷電（例如在服務器或無線基站中），或必須正確設計熱插拔功能（在背板或外部卡中），此特性將非常重要。
• DDR5 同樣采用了 MIPI I3C 作為核心技術之一。DDR5 通過使用 MIPI I3C 而不是 I2C，可以改善內存帶寬，從而實現下一代高性能系統和應用，包括客戶端系統和高性能服務器。I3C 提供典型值為 10Mbps 的數據速率，并可通過更高性能的高數據速率 (HDR) 模式選項提供超過 30Mbps（單通道模式）和 100Mbps（四通道模式）的速度。

MIPI I3C 總線接口是一種不斷發展的規范，可顯著提高傳統接口的速度和靈活性，從而簡化各種產品（如智能手機、可穿戴設備、汽車系統和服務器環境）的創新設計開發。隨著該協議的發展勢頭越來越強，遷移到 I3C 接口將使器件能夠通過更好的系統管理和配置實現更高的性能。這使得 I3C 成為企業和計算、PC 和筆記本電腦以及汽車和許多其他應用的主流技術。

參考文獻

1. MIPI Alliance Specification for I3C? (Improved Inter Integrated Circuit), version 1.1.1, MIPI Alliance, Inc., 11 June 2021.
2. MIPI Alliance “Introduction to the MIPI I3C Standardized Sensor Interface”, August 2016