找出PCB匯流排最佳解　I3C、I2C、SPI特性全面剖析(1)

2024-09-03

蘇立欣Lesley Su

印刷電路板(PCB)上的晶片通訊，常使用兩種協定：序列周邊介面(SPI)和內部整合電路(I2C)；此外，還有I2C協定經過改良，衍伸而出的I3C協定。本文將比較I3C、I2C、SPI三種協定的特性，說明各協定適合的應用場景。

印刷電路板(PCB)上的晶片通訊，常使用兩種協定：序列周邊介面(SPI)和內部整合電路(I²C)；此外，還有I²C協定經過改良，衍伸而出的I³C(Improved Inter Integrated Circuit)協定，彌補I²C單一主控器(Master)、不支援頻內中斷(IBI)等特性。

這三種協定雖然在傳輸速率和距離的表現都比不上USB、SATA等協定，但具有操作相對容易的優勢，需要的組件和程式碼少，適合在簡單嵌入式系統中使用。本文將比較I³C、I²C、SPI三種協定的特性，說明各協定適合的應用場景。

I³C、I²C、SPI比較

表1簡單對I³C、I²C、SPI三個協定進行比較。綜合表1資料，簡單來說，SPI的優點在於其高傳輸速率和靈活性；I²C注重簡化電路和功耗；I³C則結合了兩者的優點，提供更高的傳輸速率，並加上多樣化的功能。三種通訊協定具有不同特性，應該根據場合選擇最佳應用(表2)。

I³C的特性和用途

I³C基本上可視為改良版的I²C，其與I²C的比較可參考前述表格。I³C的介面類似I²C，一樣使用兩條線：SDL和SCL時脈線。I³C可向下兼容I²C匯流排協定，也就是說，I³C的Master可以架接I²C介面的從屬設備(Slave)(但是不兼容十位元的I²C擴展位址)。

I³C大部分的訊息(Message)皆由Master發起，但也允許Slave向Master提出Request，稱為START Request^[1]。

I³C的應用電路類型如圖1和圖2所示。

I³C最初為行動應用所設計，隨著物聯網感測器的興起，對傳輸功耗、性能和速率的要求變得更嚴格，I³C可解決I²C的功耗問題，成為可用於任何感測器的單一介面。現在，I³C協定已成功被應用於汽車、消費品和其他智慧型手機以外的領域。在物聯網應用中，I³C因其高速資料傳輸和極低功耗的優勢，成為理想選擇，特別適合具有嚴格功耗限制的嵌入式系統(圖3)。

I³C的其中一項重要改良，是沒有I²C的時脈伸展(Clock Stretching)，讓Slave回傳資料的速度加快。在單一資料速率(SDR)模式下，I³C的時脈僅由Master驅動。不過，Slave也可以在匯流排初始化過程中指示速度限制，確保工作頻率、讀寫周轉時間和其他時序參數在可運作範圍內。

多元傳輸方式與不同速度

I³C具有多種不同的資料傳輸模式，基本時脈速率最高可達12.5MHz。在SDR模式下，I³C與I2C相同，SDA由SCL時脈控制；在高資料速率(HDR)模式下，其中包括四種不同的模式，速度均高於SDR模式：

雙倍資料速率(HDR-DDR)模式：SDA在每個SCL邊緣轉換時(而不是每個時脈周期)被時脈控制，有效地使資料傳輸速率翻倍，而時脈速率本身並未增加。
三元符號純匯流排(HDR-TSP)模式(不包括在I³C基本規範中)：在此模式下，SDA和SCL失去了一般的功能，資料以三元符號的形式傳送，有效資料傳輸速率大致增加了三倍。在TSP模式下，無法在I³C匯流排上使用I²C裝置。
三元符號傳統(HDR-TSL)模式(不包括在I3C基本規範中)：類似TSP模式，但與I²C相容，並且速度增益略微降低，僅達2.5倍。
批量傳輸(HDR-BT)模式：類似SDR模式，但以區塊為導向(Block-oriented)，使用第九個位元(在SDR模式中為奇偶校驗位元或T位元)作為資料。相對於SDR模式，HDR-BT模式可實現20%的資料傳輸速率增益，資料完整性透過CRC進行檢查。

I³C獨有的通用命令代碼(CCC)

通用命令代碼(Common Command Code, CCC)^[1]是I³C帶來的新概念。Master使用CCC來初始化或開始/結束匯流排。Master使用CCC時，可以廣播給每個Slave，也可以僅針對特定Slave。

CCC的好處包括：