隨著物聯網和嵌入式系統的迅猛發展，設備之間的通信需求變得越來越復雜。在這一背景下，I3C（MIPI I3C）協議應運而生，為連接多種傳感器和外設提供了一種高效而靈活的解決方案。本文將詳細介紹I3C協議，并通過對比I2C和SPI通信，展示其優勢。
I2C 協議簡介
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一種基于主從結構的串行通信協議，常用于連接微控制器與傳感器、存儲器等外設。它使用兩根線（時鐘線SCL和數據線SDA）進行雙向通信。
I2C的優點包括簡單易用、適用于短距離通信等，但其缺點也顯而易見，包括速度相對較慢、主從設備數量受限等。
SPI 協議簡介
SPI（Serial Peripheral Interface）是一種同步串行通信協議，通過四根線（時鐘線SCK、主設備輸出從設備輸入MOSI、主設備輸入從設備輸出MISO、片選線CS）進行通信。SPI通常用于連接微控制器與外設、存儲器等。
SPI的優勢在于高速傳輸、支持全雙工通信等，但也存在線數較多、硬件連接較為復雜等缺點。
I3C 協議特點
I3C是由MIPI聯盟開發與完善，它是基于I2C協議改進而來，誕生的目的是為了統一傳感器通訊協議，隨著Micro Chip的發展，MCU越來越強大，誕生了許多移動設備，這些移動設備主要使用I2C、SPI、Uart作為通訊協議，但并不統一，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備上使用這兩個傳感器那么需要在你的設備里集成Uart和SPI的通訊模塊，這無疑大大增加了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可以達到較高的傳輸赫茲，但是使用的線數較多，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。
同時這些協議有一個通病，就是不支持熱拔插，如果設備在連接著突然斷了，再次接入協議會影響繼續通訊，熱拔插是需要主設備恢復從設備的狀態，這個情況就影響了低功耗，比如某些傳感器在這一時刻需要進入低功耗模式，進入沉睡，那么此時喚醒就會導致無法繼續正常工作。
為此MIPI在I2C的基礎上誕生了I3C，它與I2C一樣使用兩根線，并且支持IBI中斷和熱拔插，同時頻率可以達到較高的頻率，因為它與I2C不同，I2C兩根引腳使用的是開漏輸出，開漏內部接地是無法輸出高電平的，如果需要輸出高電平必須外接上拉電阻才能實現高電平輸出，但是電阻會阻礙電流導通，所以會比較耗時，I2C最高也才達到5MB，但是I3C可達12.5MB，并且功能比I2C強大許多且它支持I2C，向前兼容。
只有在推挽輸出模式下I3C才可以達到12.5MB，并且特定模式下的頻率可以達20MB
I3C（MIPI I3C）協議融合了I2C和SPI的優點，提供了更高的通信速度和更靈活的連接方式。以下是I3C協議的一些特點：
多主機支持：I3C協議允許多個主機設備同時連接總線，提高系統的可擴展性。
動態地址分配：I3C支持動態分配設備地址，簡化了系統配置和維護。
高速模式：I3C在支持I2C設備的同時，還提供了更高的通信速度，滿足對快速數據傳輸的需求。
數據方向交替：I3C采用半雙工和全雙工的混合通信方式，使得數據方向更加靈活。
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漏：SCL（推挽輸出時鐘線），SDA（開漏輸出數據線），而I2C則全部使用開漏輸出，則全部需要外接上拉電阻，這就降低了時鐘頻率。
SCL電路：
SDA電路：
奇偶校驗位
與I2C不同，I3C為了安全與可靠，第九位采用的是奇偶校驗位，原始的I2C第九位為ACK信號，接收方收到這個信號時需要把SDA拉低已表示收到ACK信號并返回確認ACK信號告知主機已經接收完成，I3C第九位使用的是奇偶校驗位，XOR (Data [7:0], 1)，即所有位與1進行異或的結果，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ACK確認，否則NACK要求重發
I3C總體下來每次傳輸數據可以說是傳輸十位
data[7 : 0] → T [0] → ACK [0]
I3C把這個位稱之為T位，也叫過渡位/交換位
應答的方式
I2C：發送方將SCL拉高，隨后將SDA也拉高，接收方需要在一個周期內將SDA拉低以回應確認收到信息，如果周期內沒有拉低則代表NACK
I3C：發送方將SCL拉低，隨后SDA拉高，從機需要將SDA拉低來確認ACK，如果不將SDA拉低則意味著NACK
I3C上因為SCL是推挽電路，但同時I3C仍然支持I2C的ACK確認方式，只是某些情況下I3C要求只能使用I3C的方式來進行ACK，這么做的目的是忽略掉總線上I2C的設備，例如分配動態地址是時不想讓I2C設備參與進來那么久使用這個方式來忽略掉I2C設備，因為傳統I2C設備只會在SCL拉高時來確認ACK，如果I3C將SCL拉低那么I2C設備會把此次通訊視為沒有ACK訊息視為失敗則放棄本次通訊。
I3C vs. I2C 和 SPI
下表對比了I3C、I2C和SPI協議的一些關鍵特點：
通過對比可以看出，I3C協議在多方面具有優勢，尤其是在支持多主機、動態地址分配和通信速度等方面。在一些對性能和靈活性要求較高的應用中，I3C協議成為一種理想的選擇。
I3C協議的出現為嵌入式系統提供了一種更先進、更靈活的通信解決方案。它繼承了I2C和SPI的優點，同時彌補了它們的不足之處。在未來的物聯網和嵌入式應用中，我們有理由期待I3C協議的更廣泛應用。
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（MCU）是業界*具有多達兩個I3C外設和多電壓 I/O（MVIO）的低引腳數MCU。
PIC18-Q20 MCU采用14引腳和20引腳封裝，尺寸小至3x3mm，是實時控制、觸摸傳感和連接應用的緊湊型解決方案。其I3C功能、靈活的外設和在三個獨立電壓域上工作的能力，非常適合在較大的整體系統中與主 MCU 配合使用。
該系列MCU可執行主MCU無法高效執行的任務，如處理傳感器數據、處理低延遲中斷和系統狀態報告。中央處理器（CPU）在不同的電壓域運行，而I3C外設的工作電壓為1.0~3.6V。
