I3C通信协议核心详解

一、物理层与电气特性

1. 双线结构

   • SCL（串行时钟线）：主设备控制，支持 推挽（Push-Pull）输出（高速模式）和 开漏（Open-Drain）（兼容I2C模式）。
   • SDA（串行数据线）：双向数据线，推挽模式提升速度，开漏模式兼容I2C。
   • 上拉电阻：典型值 1–4.7 kΩ，比I2C更大（因推挽驱动降低电流需求）。

2. 工作模式

   模式	速率	特性
   SDR（单倍速率）	≤ 12.5 MHz	基础模式，兼容I2C时序，但SCL高电平时SDA推挽输出加速上升沿。
   HDR-DDR	≤ 25 Mbps	双倍数据率（每时钟周期传输2比特），使用三线编码（Ternary Symbol）。
   HDR-TSP	≤ 33 Mbps	分时传输协议，突发传输+时分复用，需专用时序。
   HDR-TSL	-	保留模式，未来扩展使用。

二、协议层核心机制

1. 动态地址分配（DAA）

• 流程：
• PID结构：
  • Part Number（16位） + 厂商ID（12位） + BCR/DCR（8位） + 随机数（12位）。

2. 通用命令码（CCC）

• 广播CCC（0x7E地址）：所有设备同时响应（如 ENTHDR 进入高速模式）。
• 直接CCC：针对特定设备（如 SETMWL 设置最大写长度）。
• 关键CCC示例：

  命令	编码	功能
  RSTDAA	0x06	复位动态地址
  ENTDAA	0x07	启动DAA过程
  ENTHDR	0x20+	进入HDR模式（子模式依赖参数）
  SETMWL	0x22	设置从设备最大写长度

3. 带内中断（IBI）

• 触发条件：从设备在SCL高电平时拉低SDA。
• 处理流程：
  1. 主设备检测SDA低电平（SCL高）。
  2. 主设备发起IBI请求事务：发送[Start] + IBI地址（0-7位） + Read。
  3. 从设备返回 MDB（Mandatory Data Byte）：
     • Bit 7：中断挂起状态（1=有中断）。
     • Bit 6:0：数据长度（可选附加数据）。

三、总线事务详解

1. SDR模式帧结构

┌───┬─────┬─────┬───┬─────┬───┬───┐
│ S │ Addr│ R/W │ACK│ Data│ACK│ P │
└───┴─────┴─────┴───┴─────┴───┴───┘

• 地址帧：
  • 7-bit I3C地址 或 7’h7E（广播地址）。
  • R/W位：0=写，1=读。
• 数据帧：每字节后跟ACK/NACK。

2. HDR-DDR模式时序

• 每时钟传输2比特：
  • SCL上升沿：发送第一位（MSB）。
  • SCL下降沿：发送第二位（LSB）。
• 起始条件：SDA=0 + SCL=0 → SCL=1（推挽驱动）。

四、混合总线操作（I2C与I3C共存）

1. I2C设备识别
   • 主设备发送 I2C广播地址（0x7E + R/W=0），仅I2C设备响应ACK。
2. 协议切换规则：
   • I3C主设备需在 I2C模式（开漏） 和 I3C模式（推挽） 间动态切换。
   • 关键限制：HDR模式期间禁止I2C设备通信。

五、错误处理与仲裁

1. 冲突检测
   • 多主竞争：主设备在SDA推挽输出时检测电平冲突（输出高却读到低）。
   • 仲裁失败：立即释放总线，等待重试。
2. 超时机制
   • SCL超时：从设备检测SCL低电平 > 最大时钟延展时间（典型值25ms） 时复位。

六、典型应用场景

1. 传感器集线器
   多个低功耗传感器通过I3C接入主处理器。
2. 移动设备
   摄像头、触摸屏等外设的高效通信。
3. 汽车电子
   满足低延迟、高可靠性的车载传感器网络需求。