淺談I2C總線(xiàn)的死鎖恢復(fù)

1 引言

I2C總線(xiàn)是Philips公司推出的一種二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)，它由時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）和數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA）兩根傳輸線(xiàn)組成。I2C總線(xiàn)具有接口線(xiàn)少、控制簡(jiǎn)單、器件封裝形式小、兼容性好、通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)，使它成為很多器件的標(biāo)準(zhǔn)接口和標(biāo)準(zhǔn)功能模塊。它成為近年來(lái)微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。I2C總線(xiàn)雖然簡(jiǎn)單，但在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題還不少，其中最為常見(jiàn)的問(wèn)題就是I2C總線(xiàn)死鎖。當(dāng)出現(xiàn)I2C總線(xiàn)死鎖時(shí)，總線(xiàn)上的設(shè)備無(wú)法正常工作，整個(gè)總線(xiàn)陷入癱瘓狀態(tài)，這對(duì)于一些要求高可靠性和高安全性的自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，是無(wú)法接受的。

2 I2C總線(xiàn)的工作原理及特性

I2C總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀由主設(shè)備發(fā)出的開(kāi)始信號(hào)（START）作為起始標(biāo)志，再是包含讀/寫(xiě)操作標(biāo)志位的從地址信號(hào)，緊跟其后的是與從地址匹配的從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)（ACK），接著是由從設(shè)備（讀操作）或主設(shè)備（寫(xiě)操作）發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)，緊跟每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)信號(hào)（以8位數(shù)據(jù)為例）之后是接收設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)（ACK）。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸完畢后，最后是主設(shè)備發(fā)出的結(jié)束信號(hào)(STOP)作為數(shù)據(jù)幀的結(jié)束標(biāo)志。

I2C總線(xiàn)的特性可概括為：

(1)接入I2C總線(xiàn)的器件，SCL和SDA都必須是雙向開(kāi)漏結(jié)構(gòu)的，通過(guò)總線(xiàn)上的上拉電阻拉到邏輯高電平，這樣的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)線(xiàn)與（&）功能；

(2)一般情況下，I2C總線(xiàn)的SDA只有在SCL為低電平的時(shí)候才能改變，SCL為高電平的時(shí)候SDA需要保持；

(3)例外的，由主機(jī)發(fā)出的起始信號(hào)START（SCL為高時(shí)，SDA由高變低）和停止信號(hào)STOP（SCL為高時(shí)，SDA由低變高）；

(4)由于I2C總線(xiàn)的線(xiàn)與結(jié)構(gòu)特性，只要總線(xiàn)上任何一個(gè)器件拉低了SDA或SCL，其他器件都無(wú)法拉高它們。如果有器件不釋放總線(xiàn)，則整個(gè)總線(xiàn)上的通訊都會(huì)被暫停。

3 I2C總線(xiàn)死鎖產(chǎn)生的原因

3.1 總線(xiàn)電平被拉低的原因分析

根據(jù)I2C總線(xiàn)的特性，SDA或SCL被拉低后，I2C總線(xiàn)將出現(xiàn)死鎖的情況。對(duì)于SCL，一般標(biāo)準(zhǔn)I2C從設(shè)備不會(huì)影響到SCL，只有是MCU作為I2C從設(shè)備時(shí)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤，或在多主的情況下出現(xiàn)控制沖突，而導(dǎo)致SCL被拉低，但一般可以通過(guò)程序優(yōu)化或添加防沖突機(jī)制加以避免。因此在此重點(diǎn)討論單主控制下SDA被拉低的情況。

主設(shè)備主動(dòng)拉低SDA不會(huì)導(dǎo)致I2C總線(xiàn)死鎖，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)復(fù)位I2C來(lái)重新進(jìn)行I2C總線(xiàn)的控制。而I2C從設(shè)備一般不具備復(fù)位引腳，如果其將SDA拉低，將導(dǎo)致死鎖的發(fā)生，即使主設(shè)備復(fù)位都無(wú)法解除。

根據(jù)I2C總線(xiàn)的工作原理，以下兩種情況會(huì)出現(xiàn)從設(shè)備拉低SD A：

（1）主設(shè)備向從設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)或地址時(shí)，從設(shè)備如果發(fā)出ACK應(yīng)答，則會(huì)在第9個(gè)CLK的期間拉低SDA；

（2）主設(shè)備讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，從設(shè)備會(huì)在數(shù)據(jù)位為0時(shí)對(duì)應(yīng)的CL K期間拉低SDA。

根據(jù)I2C的特性，SCL為高的時(shí)候，SDA的電平應(yīng)保持，而等到SCL變低后，SDA電平才能發(fā)生改變。如果在SCL的前半個(gè)周期變?yōu)楦唠娖胶螅髟O(shè)備因某些原因不再拉低SCL，則從設(shè)備將持續(xù)拉低S DA，I2C總線(xiàn)將一直處于被占用狀態(tài)。

3.2 主設(shè)備突然復(fù)位導(dǎo)致I2C總線(xiàn)死鎖

在主設(shè)備進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)或地址操作，當(dāng)從設(shè)備發(fā)出ACK應(yīng)答信號(hào)拉低SDA時(shí)，如果主設(shè)備突然復(fù)位，將導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)不完整，進(jìn)而引起從設(shè)備持續(xù)拉低SDA。復(fù)位后的主設(shè)備也就無(wú)法給出啟動(dòng)信號(hào)或停止信號(hào)來(lái)使從設(shè)備釋放對(duì)總線(xiàn)的占用，這樣就出現(xiàn)了I2C總線(xiàn)死鎖。

在主設(shè)備進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，當(dāng)從設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)位為0而拉低S DA時(shí)，如果主設(shè)備突然復(fù)位，類(lèi)似的，因從設(shè)備收不到完整的時(shí)鐘信號(hào)，導(dǎo)致持續(xù)拉低SDA，進(jìn)而出現(xiàn)I2C總線(xiàn)死鎖的情況。

3.3 主設(shè)備給出錯(cuò)誤的ACK信號(hào)導(dǎo)致I2C總線(xiàn)死鎖

在主設(shè)備進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作過(guò)程中，當(dāng)接收完最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，正常情況應(yīng)該給出NACK信號(hào)告知從設(shè)備不再讀取新的數(shù)據(jù)。但如果主設(shè)備錯(cuò)誤地設(shè)置了的讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器值，或因外部干擾等因素導(dǎo)致錯(cuò)誤地發(fā)出了ACK信號(hào)。于是從設(shè)備將繼續(xù)發(fā)送新數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)的第一位恰巧為0，從設(shè)備將對(duì)應(yīng)地拉低SDA。而對(duì)于主設(shè)備而言，其已完成所有數(shù)據(jù)的接收，準(zhǔn)備給出停止信號(hào)STOP，但由于從設(shè)備拉低了SDA，導(dǎo)致主設(shè)備無(wú)法發(fā)出停止信號(hào)，這樣主從設(shè)備相互等待，陷入死鎖的境地。

4 I2C總線(xiàn)死鎖恢復(fù)的方法

解決I2C總線(xiàn)死鎖問(wèn)題的方法較多，大致有以下幾種：

（1）選用自帶防止I2C總線(xiàn)死鎖的從設(shè)備；

（2）選用帶復(fù)位輸入的I2C從設(shè)備；

（3）從設(shè)備的電源由主設(shè)備控制；

（4）I2C總線(xiàn)上增加一個(gè)額外的總線(xiàn)恢復(fù)設(shè)備；

（5）在I2C總線(xiàn)上串入一個(gè)具有死鎖恢復(fù)功能的I2C緩沖器；

（6）在I2C主設(shè)備中增加死鎖自恢復(fù)程序。

在這些解決方法中，“增加死鎖自恢復(fù)程序”相對(duì)比較方便和實(shí)用，獲得了較廣泛的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。但使用這個(gè)方法的前提條件是，主設(shè)備的SDA和SCL可以配置為普通的GPIO功能。

死鎖自恢復(fù)程序的工作原理為：用GPIO在SCL上模擬時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)SDA的狀態(tài)有沒(méi)有被釋放（變?yōu)楦唠娖剑坏z測(cè)到SDA被釋放，重新將SDA和SCL配置為I2C功能，發(fā)送停止信號(hào)ST OP，告知從設(shè)備前次被中斷的通信結(jié)束了，至此I2C總線(xiàn)死鎖被解除恢復(fù)。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了I2C總線(xiàn)產(chǎn)生死鎖的原因和出現(xiàn)死鎖的不同情況，著重描述了“死鎖自恢復(fù)程序”的實(shí)現(xiàn)原理。設(shè)計(jì)者可根據(jù)上述分析的原因，采取對(duì)應(yīng)的措施加以避免，同時(shí)可采用“死鎖自恢復(fù)方法”有效解決I2C總線(xiàn)死鎖帶來(lái)的影響，使系統(tǒng)的可靠性和安全性得到提高。