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前言
PCB 印刷電路板上的晶片通訊，常使用兩種協定：SPI（串行週邊介面）和 I2C（內部積體電路）；此外，還有 I2C 協定經過改良，衍伸出 I3C 協定，彌補 I2C 單一主機、不支援 IBI 等特性。
這三種協定雖然傳輸速率、距離都不比 USB、SATA 等表現，但優勢是相對操作容易，需要的組件和程式碼少，適合在簡單嵌入式系統中使用。本篇文章，將討論 I3C、I2C、SPI 三種協定的特性比較，以及各自適合的應用場景。
快速比較：I3C、I2C、SPI 協定
I3C | I2C | SPI | |
傳輸速率 | 最高達 33.4 Mbps | 標準模式: 100 kbps 快速模式: 400 kbps 高速模式: 3.4 Mbps 超高速模式: 5 Mbps | 最高達 100 Mbps |
線數 | 2 線：SDA、SCL | 2 線：SDA、SCL | 4 線：MISO、MOSI、SCLK、SS |
功耗 | 低 | 中 | 高 |
帶內中斷IBI | 支援 | 不支援 | 不支援 |
結束數據讀取方式 | Master 發出 STOP 信號 | Master 發出 STOP 信號 | 透過 Slave Select （SS） |
熱插拔 | 支援 | 支援，但需要特定硬體 | 不支援 |
故障檢測 | 有先進的故障檢測功能 | 基本的應答檢測 | 不支援 |
內置集成命令 | 有更複雜的內置命令集 | 基本命令 | 無 |
Master／Slave | 多 Master 多 Slave | 單 Master 多 Slave | 多 Master 多 Slave |
從機地址 | 48 位唯一標識符 | 7 位或 10 位地址 | 無限制 |
流量控制 | 先進的流量控制功能 | 由主控器控制 | 由硬體控制 |
I3C、I2C、SPI 的優勢和劣勢
綜合以上，簡單來說：SPI 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、加上多樣化的功能。三種通訊協定特性不同，應該根據場合，選擇最佳應用：
I3C | I2C | SPI | |
優點 | 結合 I2C 的簡單性和 SPI 的高效性，傳輸速率更高。 支援 IBI 和先進的流量控制。 向後兼容 I2C 設備，支援熱插拔和更高的功率效率。 | 雙線通訊，節省 PCB 空間和引腳數量。 1 Master、多 Slave 架構，低功耗。 | 高傳輸速率，全雙工通訊，不需地址編碼。 多 Master、多 Slave 支援。 |
缺點 | 複雜性增加，市場普及度低，但逐漸增加中。 | 傳輸速率有限，半雙工通訊。 若 Slaves 使用同樣地址可能發生衝突。 | 線數較多，無標準化規範。 缺少流量控制和錯誤檢測標準。 |
應用場景 | 適合需要高性能和多功能的應用。如高功能傳感器網絡、智慧型手機和其他需要高效能和低功耗的設備。 | 溫度感測器、即時時鐘（RTC）、EEPROM、LCD 顯示器 和其他需要低速率和簡單連接的應用。 | 廣泛應用於傳感器數據收集、高速 ADC/DAC、顯示模組、記憶體卡和其他需要高頻寬和低延遲的設備。 |
I3C 特性和用途
I3C（Improved Inter Integrated Circuit）基本上可視為改良版本的 I2C，其與 I2C 的差異比較，可參考本文前述的表格。
I3C 的介面使用類似 I2C，一樣使用 2 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 接口的 Slave（但是不兼容 10 bit 的 I2C 擴展位址）。
I3C 大部份的 Message 都是由 Master 所發動的，但也允許 Slave 對Master 的提出 Request，稱之為 START Request。
I3C 的應用電路類型如下圖所示：
I3C 最初是為行動應用設計的，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 被設計出來解決 I2C 的功耗問題；成為可用於任何感測器的單一介面。現在的 I3C 協定，已成功被應用於汽車、消費品和其他智慧手機以外的領域。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，特別適合有嚴格功耗限制的嵌入式系統。
I3C 的一個重要改良，是沒有 I2C 的時脈展延，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，Slaves 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、讀寫週轉時間和其他時序參數在可運作範圍內。
I3C 的改良優勢：多元傳輸方式與不同速度
I3C 有多種不同的 資料傳輸模式，基本時脈速率最高可達 12.5 MHz：
標準資料傳輸率（SDR）模式：
與 I2C 相同，SDA 由 SCL 時脈控制
高資料傳輸率（HDR）；這其中又有四種不同的模式，速度均快於 SDR 模式：
雙倍數據率（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，但是，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）： 類似於 TSP 模式，但與 I2C 相容，並且僅具有 2.5 倍的速度增益（略有降低）。
批量傳輸（HDR-BT）模式： 類似於 SDR 模式，但以區塊為導向（block-oriented），使用第 9 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，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 獨有的通用指令代碼（CCC）
通用指令代碼（Common Command Code, CCC）是 I3C 中的一個新概念。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，也可以針對特定一個 Slave。
CCC 的好處在於：
簡化操作：CCC 使多個設備之間的數據傳輸更為簡便，減少複雜的通訊協定設計。
節省功耗：通過統一的指令集，降低了不必要的功耗。
提高兼容性：不同廠商的設備能更容易互相操作，增強系統的靈活性。
使用 CCC，首先 Master 要發送 Broadcast Address：7'h7E(W)，所有 Slaves 都必須確認此位址；接下來，Master 發送 CCC，將資料寫入目標 Slave 的 CCC，繼續傳送資料直到完成。
I2C 特性和用途
I2C（Inter-Integrated Circuit 內部整合電路），是一種使用於主機板、嵌入式系統等的串列通訊匯流排；使用 2 條線：SDA 資料線、SCL 時脈線進行通訊（不包括電源線和地線）節省 PCB 空間和引腳數量。
I2C 的參考設計使用一個 7 位元長度的位址空間，但保留了 16 個位址，所以在一組匯流排最多可和 112 個節點通訊；如此一來能支援多個 Master／Slave 架構，靈活、兼容性高、且成本低，適合各種嵌入式應用。
由於 I2C 支援同一匯流排上的有多個 Master，如果有兩個 Master 同時發出信號，其中一方會在稱為「仲裁」的過程中退出，等另一個 Master 傳輸完畢在發出訊號。
理論上，任意數量的 Master／Slave 可以連接到同一個匯流排。 SDA 和 SCL 線都是 Open-drain 輸出。Master／Slave 需將每條線電位拉低，並利用電阻將電位上拉。I2C 允許相對大的工作電壓範圍， 但典型的電壓準位為 +3.3V 或 +5V。
通訊傳輸時，Master 將發出 START 指令，這時 SDA 電位被拉低，而 SCL 線仍為高電位。然後，主機在匯流排上發出預期接收者的 7 位元位址，後面跟著寫入位元 (0) 或讀取位元 (1)。如果匯流排上的裝置具有該特定位址，它將透過拉低 SDA 線（ACK 位元）來回應。
然後，主設備或週邊設備可以一次以 1 個位元組的資料包的形式發送資料；每個位元組都應由接收方使用 ACK 位元進行確認。一旦通訊完成，主機將在 SCL 為高電位時釋放 SDA 線，以發出停止條件。
數據速率最初限制為 100 kbps（標準模式）。 1992 年，飛利浦將速度上限提高到 400 kbps（快速模式）。 6年後增加了特殊的3.4Mbps模式（高速模式）。必須在主設備和周邊裝置之間以較低的速度發出一組特殊的命令，以建立高速連接。
雖然任意數量的設備可以實際連接到 I2C 匯流排，但 7 位元位址限制了設備的實際數量。某些位址被保留，因此在同一匯流排上只能存在 112 個不同的設備。如有必要，可以啟用特殊的 10 位元尋址模式以允許更多裝置。
I2C 使用「時脈展延」來控制流量，週邊設備可以將 SCL 時脈線保持在低電平，這告訴主設備降低傳輸速率。該技術允許外設在回應之前有一些時間來處理資料。
由於 I2C 所需的引腳數較少，許多感測器製造商在其晶片中使用此協定。例如，溫度感測器、加速度計、類比數位轉換器等都可以用 I2C 來實現。
SPI 特性和用途
SPI 使用 4 條主動訊號線（不包括電源線和接地線）在零件之間進行通訊，4 條線分別是：
SCLK：串列時脈（Master 控制）
MOSI：主機輸出從機輸入（Master 控制）
MISO：Master In Slave Out（Slave 控制）
SS：從機選擇（Master 控制）
透過這 4 條線，主機（Master）可以與另一個從機（Slave）進行通訊。：
Master 可以在 MOSI 線上發送數據，同時對 MISO 線進行取樣，因此，資料可以在 Master 和 Slave 之間同時發送（全雙工）。
每新增的一個 Slave，就必須新增一條 SS 線。例如下圖範例中，共 3 個 Slave，因此需要 SS1、SS2、SS3；一次只能有一個 Slave 與 Master 通訊。
SPI 有 4 種不同的模式可以設置，這將決定時脈的運作方式：
模式 0：在時脈上升沿取樣數據，時脈空閒為低電平
模式 1：在時脈下降沿取樣數據，時脈空閒為低電平
模式 2：在時脈下降沿取樣數據，時脈空閒為高電平
模式 3：在時脈上升沿取樣數據，時脈空閒為高電平
※Master 和 Slave 必須使用相同的模式通訊
另外，SPI 沒有指定任何特定的電壓位準、最大速率或地址，由使用者決定。SPI 對於傳輸大量資料非常有用。 SPI 通常用於需要快速更新速率的感測器，例如加速計、顯示裝置、LCD 和快閃記憶體裝置。
結論
總結來說，這三種協定各有其適用場景；I3C 的高效能低功耗，特別適合物聯網裝置和智慧型手機等應用。I2C 由於其簡單性、低功耗和成熟技術帶來的低成本，適合溫度感測器、即時時鐘和顯示器等低速率應用或有成本考量的設計。SPI 則因其高傳輸速率和全雙工通訊，廣泛應用於顯示模組、存儲設備等高速數據需求的場景。
I3C、I2C 和 SPI 彼此之間並無高低之分，重點在於選擇合適的協定，根據需求和研發設計時的操作能力範疇，綜合考量最佳使用的方式。
本文由《翔宇科技》提供，感謝《新通訊》媒體平台邀稿
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