I3C协议讲解及其Verilog代码

在了解I3C之前先了解，什么是I3C协议的基础版？MIPI I3C Basic 是功能强大、灵活且高效的 MIPI  I3C 接口的精简版，即功能减少、复杂性较低的版本（I3C Basic 是 I3C的子集），适用于广泛的设备互连应用，包括传感器和存储器接口。因为MIPI仅对非联盟用户公开了基础版本，所以我仅基于基础版本做一些介绍。（基础班就是为了推广而开放出来的免费版本）

介绍

移动产品中传感器的激增带来了重大的设计挑战，由于没有一致的方法来连接物理传感器，设备本身和平台设计人员面临着多种零碎数字接口，包括 I2C、SPI 和 UART 等。但除了这些协议主接口之外（例如I2C的SCL和SDA），可能还需要其他信号，例如专用中断、芯片选择信号以及使能和睡眠信号。这会增加主机 GPIO 资源消耗，进而需要通过增加更多的主机封装引脚和更多的 PCB 层并伴随系统成本的提高。随着时间的推移和传感器数量的增加，这种情况变得越来越难以支持和管理。已开发的 MIPI I3C 接口以简化传感器系统设计为目标，通过为传感器提供快速、低成本、低功耗、两线数字接口。

1.1本篇文章主要介绍：

• I3C 接口协议和命令用于 I3C 基础

• 电气规范，例如时序和电压电平

• 支持特定类别的传感器和其他设备

以下内容请另行查阅资料（不在I3C协议基础版文档中）

• I3C 设备中的机械、系统和实现细节

• ESD（静电放电）结构

• 系统电源管理

• 除总线管理命令代码外，用例特定的数据或格式定义

1.2 I3C的目的

I3C 接口旨在改进 I2C 接口的特性，保留向后兼容性（兼容旧的I2C）。该规范定义了主机处理器和外围传感器之间的标准多点接口。实施 I3C 规范让移动终端系统具有高效性、低成本、良好的可拓展性和灵活性等特征。

1.3 I3C的主要特征

I3C 接口关注的主要问题是：在传输数据和控制时保持低功耗，同时减少接口使用的物理引脚数量。因此，I3C 接口具有以下特点：

• 使用高达 12.5 MHz 的两线推挽串行接口

• 传统 I2C 设备在同一总线上共存（有一些限制）

• 动态寻址，同时支持传统 I2C 设备的静态寻址

• 传统 I2C 传输

• 类似 I2C 的单数据速率传输 (SDR，Single Data Rate messaging)

• 可选的高数据速率传输模式 (HDR，Optional High Data Rate messaging Modes)（此项不支持 I3C BASIC）

• 多点功能

• 多主功能

• 带内中断支持

• 热连接支持

• 同步时序支持和异步时间戳 （此项不支持 I3C BASIC）

在保持低功耗的前提下（I3C支持1.8V/3.3V），I3C提供了比I2C的十倍以上的速率。

二、术语定义（简单选几个介绍，详细参看协议文档）

ACK：Acknowledge，应答信号。NACK，没有应答。

Address Arbitration：地址仲裁，为了避免争用。

Arbitration：如果两个设备同时开始传输，则需要仲裁来确定总线控制。如果主设备寻址多个从设备，则在从设备传输期间也可能需要仲裁

Bridge Device：I3C 总线上的设备，允许从本地 I3C 总线协议转换为另一种协议（如 SPI、UART 等）。

Bus Available Condition：I3C 总线上的状态，其中 SCL 线和 SDA 线均处于高电平至少保持 tAVAL（具体时间参阅协议标准） ，然后设备能够在总线上启动事务。

Bus Free Condition：I3C 总线上的状态在 STOP 之后和 START 之前至少 保持tCAS（具体时间参阅协议标准）。

Bus Idle Condition：总线空闲状态（Bus Free Condition）的延长持续时间，指示设备可能会尝试热加入 I3C 总线。

CRC5：五阶多项式长度的循环冗余校验。

三、 技术概述

I3C 是一种两线双向串行总线，针对多个传感器从设备进行了优化，并且一次仅由一个 I3C 主设备控制。I3C 向后兼容许多传统 I2C 设备，但 I3C 设备还支持更高的速度、新的通信模式和新的设备角色，包括随时间更改设备角色的能力（即，初始主控可以将主控角色传递给总线上的另一个 I3C 设备（如果第二个 I3C 设备支持该功能））。

I3C 基础包括：

• 支持许多传统 I2C 从设备和消息

• I3C 单数据速率 (SDR) 模式：新的 I3C 增强版 I2C 协议支持定向消息（private messages），并添加两种标准内置消息：

• 广播消息，发送到总线上的所有 I3C 从机

• 直接消息，寻址到特定的从机

3.1 I3C的基础原则

I3C 支持多种通信格式，全部共享一个两线接口。两条线分别指定为 SDA 和 SCL：

• SDA（串行数据）是双向数据引脚

• SCL（串行时钟）是时钟引脚

I3C 总线支持各种消息类型的混合：

1. I2C 类 SDR 消息，SCL 具有高达 12.5MHz的时钟速度
2. 广播和直接通用命令编码 (CCC，Broadcast and Direct Common Command Code) 消息，允许主设备分别与 I3C 总线上的所有或一个从设备通信。
3. HDR 模式消息（基础版不支持）
4. 发送给传统 I2C 从设备消息。
5. 从设备向主设备发起的 START 请求，例如发送带内中断或请求获得主设备角色。

下图简单说明了如何启动 I3C 通信：

• 所有I3C 通信都发生在一个帧内。帧以 START 开始，然后是一次或多次传输，然后是 STOP。

• 对于 I3C Basic 不支持但 I3C Basic 设备可以容忍的 HDR 模式：

• 首先，专用广播 I3C 地址 (7’h7E) 被分配给 I3C 总线上的所有从设备。

• 然后发出 EnterHDR CCC 之一，表明主设备正在进入 HDR 模式。每个 HDR 模式都有自己的 EnterHDR CCC。

• 之后是一个或多个HDR 传输。

• HDR 模式通过使用 HDR 退出模式协议结束。

3.2 主从设备

3.2.1 主机/主设备

I3C 总线要求一次只有一个 I3C 设备用作 I3C 主设备。在I3C术语中，这个I3C Master Device就是Current Master。在典型应用中，当前主设备是总线上的 I3C 设备，它发送大部分 I3C 命令 (CCC)，寻址所有从设备（广播 CCC）或特定的单个从设备（定向 CCC）。Current Master 也是 I3C 总线上唯一允许发送 I2C 消息的设备。除了发送 I3C 命令和 I2C 消息外，I3C 主设备还：

• 生成总线时钟

• 管理上拉结构

• 管理动态地址分配过程（包括热连接事件），同时充当主设备

• 管理 START 来自总线上 I3C 从设备的请求以及地址仲裁请求：

• 生成带内中断

• 对于热连接事件

• 成为当前主设备

• 支持 I2C 传统从设备

• 支持 I3C SDR 模式

除了主机外，I3C还支持多个从主机/Secondary Master Device（即第二主机，但这个主机地位低于主机，除非它转正），具体扮演什么角色不详细叙述。

3.2.2 从机/从设备

总线支持最多11个从机，数量和很多因素相关，比如PCB走线，设备的容性负载，包括从设备类型（I2C还是I3C）

I3C 从设备可以选择：

• 请求带内中断

• 生成热连接事件

• 请求成为当前主设备，如果 I3C 从设备也具有 I3C 主设备功能

汇总以下总线的接入：

四、时序

寄存器不叙述，时序选择几个简单谈谈。像之前叙述的，I3C还有很多模式，下面我只贴上基础的时序图，各种时序参数请自行参阅协议文档，I3C的基础版标准大概177页，相比I2C和SPI还是比较复杂的，如果大家注意看的话，I3C同时引入了CDR。可以想象，2线的标准引入如此多的功能，必然带来更多的复杂性。

4.1 开始

4.2 停止

4.3 主SDR时序

4.4 从机结束读，主机生成STOP

4.4 从机结束读，主机生成重复开始

4.5 滤波

下图展示了与传统 I2C 设备上的尖峰滤波器相关的时序参数。应满足此时序，以确保传统 I2C 设备能正确忽略 I3C 高速模式。建议 SCL 引脚和 SDA 引脚都带有尖峰滤波器。

五、通信格式

1、

2、

六、典型的 I3C 基础版协议通信（选摘）

6.1 I3C的SDR

6.1 SDR下的CCC

结语：以上是对I3C的部分模式以及时序的简单讲解，感兴趣的朋友可以参阅MIPI的I3C协议标准，同时给大家打包了I3C的从机IP（源自NXP，感兴趣的可以学习）

I3C master slave verilog实现源码下载：

感谢大家阅读！