I2C总线，一个为大家熟知的简单、双向二线制同步串行总线技术，由Philips公司开发。I2C只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息，已经被广泛地应用于连接各种传感器、液晶屏幕和存储器当中。

此前大家对I2C的印象是结合了SPI和UART的优点，既轻巧又简单，而且成本还不高。I2C能够在控制器和外围设备之间进行快速、可靠的数据传输，它还能支持互连多个设备，实现多种数据的传输。

但随着应用场景需求的变化，I2C长期以来的短板被充分地暴露了出来，串行总线技术也由此迎来了升级。

什么是串行通信协议？

串行通信协议是一种使用一根或多根线来传输数据的通信方式，与并行通信协议相比，它可以节省线路资源，提高传输距离和抗干扰能力，但也会降低传输速率。串行通信协议有很多种类，根据它们的应用场景、特点和优缺点，可以分为以下几类：

系统间协议：这类协议用于连接不同的设备或系统，例如计算机和微控制器之间的通信。它们通常需要一个主设备来控制和管理数据的传输，而其他设备则作为从设备来响应主设备的请求。常见的系统间协议有UART、USART、USB等。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种最常用的异步串行通信协议，它只需要两根线来传输数据，分别是Tx（发送）和Rx（接收）。

UART没有时钟信号来同步数据的传输，而是通过起始位、停止位和奇偶校验位来标识数据帧的边界和正确性。UART的数据传输速率由波特率来决定，波特率是每秒传输的位数。UART适合于简单、低速、短距离的通信场合。

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种既可以支持同步通信又可以支持异步通信的协议，它比UART多了一根线SCLK（时钟），用于在同步模式下提供时钟信号来同步数据的传输。USART在异步模式下与UART相同，在同步模式下则不需要起始位、停止位和奇偶校验位，而是通过时钟信号来确定数据帧的边界和正确性。USART的数据传输速率比UART更高，适合于高速、全双工、复杂的通信场合。

USB（Universal Serial Bus）是一种广泛使用的串行总线协议，它可以连接多种外围设备，如鼠标、键盘、打印机、摄像头等。USB只需要两根线来传输数据，分别是D+和D-，它们可以同时进行双向数据传输。USB有一个主机设备来控制和管理数据的传输，而其他设备则作为从机设备来响应主机设备的请求。USB有不同的模式和版本，可以提供不同的数据传输速率和功耗。USB适合于灵活、高速、多功能的通信场合3。

内部系统协议：这类协议用于连接电路板上的不同芯片或模块，例如微控制器和外围设备之间的通信。它们通常不需要一个主设备来控制和管理数据的传输，而是通过共享总线或多主机方式来实现数据的交换。常见的内部系统协议有I2C、SPI、CAN等。

I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种使用两根线来传输数据的协议，分别是SDA（数据）和SCL（时钟）。I2C可以支持多主机和多从机之间的通信，每个设备都有一个唯一的地址来识别自己。I2C通过起始位、停止位和应答位来标识数据包的开始、结束和确认。I2C还可以通过变化时钟频率来调整数据传输速率。I2C适合于低速、简单、低成本的通信场合。

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种使用四根线来传输数据的协议，分别是MOSI（主机输出/从机输入）、MISO（主机输入/从机输出）、SCLK（时钟）和SS/CS（片选）。SPI只支持一个主机和多个从机之间的通信，每个从机都需要一根片选线来选择自己。SPI通过时钟信号来同步数据的传输，不需要起始位、停止位和应答位。SPI可以通过变化时钟频率来调整数据传输速率。SPI适合于高速、全双工、复杂的通信场合。

CAN（Controller Area Network）是一种使用两根线来传输数据的协议，分别是CANH（高电平）和CANL（低电平）。CAN可以支持多主机和多从机之间的通信，每个设备都可以发送和接收数据，但只有优先级最高的设备可以占用总线。CAN通过标识符、控制位和CRC校验来标识数据帧的内容、类型和正确性。CAN还可以通过变化比特时间来调整数据传输速率。CAN适合于高可靠性、实时性、抗干扰性的通信场合。

I2C式微，从I2C升级到I3C

在过去的几十年里，I2C的广泛应用已经说明了其在硬件通信中的稳固地位，其轻巧、简单、成本低的特性有目共睹。不过I2C虽然是嵌入式器件的主要接口选择，实现起来相对简单并且多年来已被广泛采用，但它缺乏某些重要特性，并存在局限性，有着避不开的缺点。在深度嵌入式应用中尤其如此，会严重影响紧凑型系统的设计。这些缺点一是速率受限，二是传输距离受限，三是功耗偏大。

I2C协议的通信距离是相对较短的，很容易受到电缆长度和信号衰减等因素的影响，所以一般近距离的设备连接才会使用I2C。传输速率并不是I2C的专长，此前因为传输速率受限，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。

随着智能手机、可穿戴设备、IoT设备、汽车系统以及服务器环境变得越来越先进和复杂，需要更精简、高性能、可扩展和具有成本效益的通信接口来控制和高速传输数据，并需要节能和节省空间的设计。

在现在总线数据量开始膨胀的当下，I2C已经发展到了该技术的瓶颈。为了摆脱新需求下I2C的性能缺失，MIPI联盟传感器接口工作组很早就启动了基于I2C的需求升级。

MIPI联盟于2016年正式发布了第一个I3C规范v1.0。最初版本的I3C旨在提供集成不同类型传感器所需的功能基线，包括高时钟速度、发明中断或连接、高数据速率模式、定时控制等功能。

I3C，作为I2C的升级版正式开始接过I2C手中串行总线技术的接力棒。这个被定义为智能多功能接口的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。

总的来看，I3C这种使用互补金属氧化物半导体CMOS I/O实现串行通信的接口，使用两线制来更大限度地减少引脚数量以及元件之间的信号路径数量，这一点对于空间紧凑型的物联网、可穿戴设备至关重要。同时此接口支持在极低的功率级别下使用更高带宽的工作模式，并有助于实现更简单、更灵活的设计。

I3C和I2C之间的差异

I3C是由移动产业处理器接口（MIPI）联盟创建的，初衷是为了克服I2C的许多不足。但这两个协议确实有很多不同之处，下表中对这两种协议进行了比较。

尽管与I2C相比，I3C有许多差异和优势，不过MIPI联盟还是尽量使I3C向后兼容I2C。这意味着，两种协议的控制器和目标设备可以在同一总线上共存，I2C和I3C能够混用。

I3C向后兼容性的局限性

虽然向后兼容性是新协议开发过程中的主要目标，但I3C并非完全向后兼容I2C。一些显著的区别如下：

• Glitch滤波器

Glitch滤波器，有时被称为毛刺滤波器，用于滤除通信总线上的各种无用噪声。I2C设备在串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线上采用这类滤波器，可以防止对数据和时钟的干扰。故许多I2C设备已经在每条串行线上内置了50ns的毛刺滤波器。

由于I3C支持更高的通信速率，故没有在I3C中内置50ns毛刺滤波器。根据I3C规范，所有传统I2C设备都需要采用50ns毛刺滤波器。如果I2C设备没有内置该滤波器，则需要在外部利用分立元器件设计一个滤波器。

• 有限的速率模式

在I2C协议中，具有时序和最大通信速率各不相同的几种速率模式。例如，标准模式支持高达100Kbps的比特率。为了使I2C能够在这些速率下正常通信，就必须遵守相应速率模式下的时序规范。

每种速率模式下，对设置时间、保持时间、上升时间和下降时间等参数都有最基本的要求。I3C并不支持I2C提供的所有速率模式。仅支持其中的两种速率模式，分别是快速模式和快速模式+。

为满足这一要求，I2C必须工作在这些速率模式下。当I3C控制器与I2C目标设备通信时，控制器将调整总线速率，以适应这类较慢的通信。只有在与I2C目标通信时，I3C控制器才会减慢总线的速率，而与I3C目标通信时，总线速率则不会降低。

• 时钟延展

当设备之间进行通信时，可能会出现这样一种情况，即当一个设备要读/写数据时，要传输的数据尚未准备好。在这类情况下，一些I2C设备会利用一种称为时钟延展的方法来暂停时钟（注意，并非所有I2C设备都支持时钟延展），从而允许更多的时间来满足某些时序要求。例如，对于I2C来说，进行通信和模数转换（ADC）采样时，必须采用单独时钟。而I3C的操作中，所支持设备完全独立于SCL时钟，故I3C规范禁止采用时钟停滞。因此，为了与I3C总线兼容，支持时钟延展的I2C设备必须在无延展的时钟频率上工作。

正确理解I3C向后兼容性

尽管I3C越来越流行，不过I2C仍是事实上的标准，只是两种协议混用的情况将变得更加常见。在这种情况下，允许工程师继续使用熟悉的I2C协议，同时也允许使用较新的I3C，以这样一种方式设计系统是有益的。

这就是充分理解I3C向后兼容性的局限性变得尤为重要的地方。虽然I3C不允许时钟延展，但I2C设备可以在I3C总线上通信，只要被配置到不发生时钟延展的速率即可。在I3C总线上使用I2C设备可能非常有益，因为这样做可以保持I2C协议的简单性，同时有助于实现更多经得起未来考验的设计。

文章来源： 自由坦荡的湖泊AI，中芯巨能，核芯产业观察