一種可靠的I2C總線死鎖解決方案

王 輝

（銳捷網絡股份有限公司，福建 福州 350002）

0 引言

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是一種由PHILIPS公司開發的用于連接微控制器及其外圍設備的總線。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少、控制方式簡化等優點，成為近年來在微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。但由于I2C總線是共享性總線，總線上任何一個器件的SDA/SCL信號的異常都會影響整個總線的正常工作，因此I2C協議有提供了復位操作來解決問題。但在實際應用中還是會有一些異常的情況出現，例如操作過程中I2C主機異常復位，導致操作未完成，這樣總線就有可能出現死鎖的情況。該文就I2C死鎖的各種情況做了深入具體的分析說明，并給出了一種完整、可靠的解決方案。

1 I2C基礎知識

1.1 協議概述

一次完整的數據傳送如圖1所示，I2C是以字節（8位）為單位進行數據傳輸的。在起始位出現后，發送8位數據（首先傳輸的是數據的最高位），每傳輸8位后必須跟一個應答位（ACK）。ACK為0代表有效，反之則說明無人應答。數據傳輸一般由主機產生的停止位終止。

如果當從機需要完成一些其他功能后才能繼續完成數據通信時，從機可以使時鐘SCL保持低電平，迫使主機進入等待狀態。當從機準備好并釋放時鐘線SCL后，數據傳輸繼續[1-2]。

1.2 總線復位

I2C協議里定義了一個總線復位的機制，即主機在非正常操作過程中主動在SCL信號線上發9個時鐘周期，總線上的從機檢測到后，必須主動復位各自的I2C接口[3]。

這個機制可以解決實際應用中從機一直拉低SDA的總線死鎖的情況。但遇到SCL被拉低以及其他復雜的死鎖，I2C協議并沒有給出解決的機制。

2 I2C死鎖分析

2.1 死鎖分類

I2C死鎖有多種故障類型，可以歸納為如下3種情況。

2.1.1 情況1（應答位死鎖）

I2C總線讀或寫操作指令應答位死鎖導致。在I2C設備進行讀或寫操作指令的過程中，主設備在產生開始信號后在SCL線上產生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號的電平。此時，從設備輸出應答信號，將SDA信號拉為低電平。如果這個時候主控制器突然復位，導致SCL信號被拉為高電平，而從設備將SDA一直拉為低電平，直到SCL變為低電平才會結束應答信號。主、從設備之間相互等待，進入應答位死鎖狀態。

2.1.2 情況2（讀操作死鎖）

當I2C主控制器進行讀操作時，I2C 從設備應答后輸出數據。如果這時主控制器突然復位，而此時從設備輸出的數據位正好為0（SDA為低電平），主控制器就會將SCL拉為高電平，從設備將SDA拉為低電平，這樣也會導致I2C總線進入死鎖狀態。

2.1.3 情況3（I2C控制器狀態異常）

I2C控制器狀態異常，SCL和SDA電平處于“正?！睜顟B，但主控又無法繼續操作I2C總線，也無法讀取I2C狀態寄存器值。這個情況一般都是主設備沒有發送STOP命令，進而使其I2C控制器進入異常狀態。

針對死鎖，I2C協議里的推薦是發送9×CLK，進行總線復位。這個方法是能解決一些死鎖的情況，但針對上述死鎖情況是沒法解決的。例如對應答位死鎖狀態，由于I2C正常發送9×CLK（8個數據位+應答位），此時發送8CLK會使I2C總線死鎖位移到下一個字節的應答位，SDA仍然為低電平，即陷入死循環而無法解鎖。

2.2 死鎖分析與解鎖

2.2.1 應答位死鎖

應答位死鎖進入過程如下：主設備對從設備進行讀寫操作時，進行到應答位，此時主設備異常復位，SCL被主設備拉高，SDA被從設備拉低，如圖2所示。

應答位是在第9個CLK，主設備只要將SCL輸出一個低電平，從設備就會將SDA釋放到高電平，再發送一個STOP命令，就可將I2C總線解鎖，即發送1×CLK+STOP就可以將總線解鎖。另外從I2C 協議可知，I2C總線是以byte+ACK為單位進行傳輸的，即9個CLK為一組，如果發送8×CLK+STOP，則會使I2C進入下一個byte的ACK，無法從死鎖中恢復。由此可知，對應答位死鎖狀解鎖，發送（1+N）×CLK+STOP可以解鎖，N必須是8的整數倍。

2.2.2 讀操作時死鎖

讀操作時進入死鎖的過程如下：主設備對從設備正在進行讀操作，當從設備輸出的數據為0（1到8之間任意bit）時主設備異常復位，SCL就會被主設備拉高，SDA被從設備拉低，進入死鎖狀態（如圖3所示），也即讀操作有可能在1到8 bit之間的任意bit進入死鎖狀態。當第1個bit進入死鎖時，解鎖需要8×CLK+STOP。當第8個bit進入死鎖時，解鎖需要1×CLK+STOP，也即最多需要8×CLK+STOP，最少需要1×CLK+STOP。同時也有驗證CLK數量大于8時，比如9×CLK+STOP也能正常解鎖?？偨Y來看，N×CLK+STOP（N≥8）可以對所有讀操作時死鎖狀態進行解鎖。

2.2.3 控制器狀態異常

控制器狀態異常進入死鎖的過程如下：I2C總線的SCL異常被拉低，或者配置為GPIO模式發送命令過程中，主設備主動或者被動停止繼續發現CLK，進而使主設備的I2C控制器進入異常狀態。

出現異常，一般可從主機I2C控制器內部狀態寄存器的信息分析出來。通常I2C控制器的邏輯都是用I2C CORE IP來實現的[4]，這樣從State Reg來獲取控制器的運行狀態，當狀態碼為00時就代表總線出現異常狀態（bus error）。此時直接發送一個STOP命令可以使控制器跳出bus error狀態，恢復正常。這個方法我們在Cavium/NXP等系列的CPU平臺測試驗證均有效[5-6]。

通過上述分析，該文針對不同的死鎖情況給出了對應的解決方案，見表1。但在實際應用中，由于并不知道死鎖發生的具體情況，如果每次都要把這3種解決方案都試一遍，軟件實現起來有些復雜，因此需要找到歸一化的解決方案。

表1 死鎖解決方案匯總

3 解決方案改進

第2節的3種解鎖方案可以歸結為9×CLK+STOP這一種。對于這個方案是否真的能解決問題，該文做了驗證，發現該方案對上述死鎖均可有效解鎖，只是在寫操作應答位死鎖時，雖然也能解鎖，但可能會存在向從設備誤寫數據的風險。

對讀操作應答位死鎖狀態，發送CLK對其進行解鎖時，主設備知道此時讀取的數據是無效的，可以選擇忽略這些數據。

基于CAVIUM cpu的板卡，我們對從設備EEPROM即24C02（地址為0x57），偏移為0，寫數據0x5a，在ACK之后加上9×CLK+STOP，此時9×CLK發送時SDA的數據不會被寫入EEPROM內部[7]，如圖4所示。

因此說明第2節歸納總結的方案存在缺陷。接下來分析如何改進。

針對對寫操作應答位死鎖解鎖無法寫入的情況，從EEPROM的內部流程可知，EEPROM會把接收到的數據先緩存到內部的Buffer中，當接收到STOP條件后，才會往內部寫。所以解鎖過程中發送9個CLK后又直接發STOP命令，就會被EEPROM認為是無效的結束操作，沒法啟動內部寫的動作。因此發完9個CLK后，要先發送START命令形成新開始，再發送STOP命令，就不會有誤操作。

而針對控制器狀態異常，同樣可利用START命令使從設備重新開始這一特性，在解鎖命令之前加入命令START，從設備就不會對START命令之前主設備發送的異常操作進行應答。

綜合來看，解決各種死鎖的歸一化解鎖命令應該如下：START+9×CLK+START+STOP。使用這個解鎖命令分別針對所有故障現象模擬測試的驗證情況見表2。

表2 改進方案驗證記錄

因此，START+9×CLK+START+STOP對讀或寫應答位死鎖狀態、讀操作死鎖狀態和控制器狀態異常情況均可有效解鎖，也即對所有情況均可有效。因此，該文總結了實現的邏輯流程圖[8]，如圖5所示。

4 總結

該文在介紹了I2C基本協議后，全面地分析了各種I2C死鎖的各種原因及其對應解決方案，并在此基礎上提煉了一個完整，可靠的解決方案。通過試驗驗證，說明此方案可以有效得提高I2C總線的魯棒性。