王 輝

（銳捷網(wǎng)絡(luò)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(fā)的用于連接微控制器及其外圍設(shè)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(yōu)點，成為近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。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(xié)議有提供了復(fù)位操作來解決問題。但在實際應(yīng)用中還是會有一些異常的情況出現(xiàn)，例如操作過程中I2C主機異常復(fù)位，導(dǎo)致操作未完成，這樣總線就有可能出現(xiàn)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(chǔ)知識

1.1 協(xié)議概述

一次完整的數(shù)據(jù)傳送如圖1所示，I2C是以字節(jié)（8位）為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在起始位出現(xiàn)后，發(fā)送8位數(shù)據(jù)（首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位），每傳輸8位后必須跟一個應(yīng)答位（ACK）。ACK為0代表有效，反之則說明無人應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳輸一般由主機產(chǎn)生的停止位終止。

如果當(dāng)從機需要完成一些其他功能后才能繼續(xù)完成數(shù)據(jù)通信時，從機可以使時鐘SCL保持低電平，迫使主機進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機準(zhǔn)備好并釋放時鐘線SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)[1-2]。

1.2 總線復(fù)位

I2C協(xié)議里定義了一個總線復(fù)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(fā)9個時鐘周期，總線上的從機檢測到后，必須主動復(fù)位各自的I2C接口[3]。

這個機制可以解決實際應(yīng)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(fù)雜的死鎖，I2C協(xié)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(yīng)答位死鎖）

I2C總線讀或?qū)懖僮髦噶顟?yīng)答位死鎖導(dǎo)致。在I2C設(shè)備進(jìn)行讀或?qū)懖僮髦噶畹倪^程中，主設(shè)備在產(chǎn)生開始信號后在SCL線上產(chǎn)生8個時鐘脈沖，然后拉低SCL信號的電平。此時，從設(shè)備輸出應(yīng)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(fù)位，導(dǎo)致SCL信號被拉為高電平，而從設(shè)備將SDA一直拉為低電平，直到SCL變?yōu)榈碗娖讲艜Y(jié)束應(yīng)答信號。主、從設(shè)備之間相互等待，進(jìn)入應(yīng)答位死鎖狀態(tài)。

2.1.2 情況2（讀操作死鎖）

當(dāng)I2C主控制器進(jìn)行讀操作時，I2C 從設(shè)備應(yīng)答后輸出數(shù)據(jù)。如果這時主控制器突然復(fù)位，而此時從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)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(shè)備將SDA拉為低電平，這樣也會導(dǎo)致I2C總線進(jìn)入死鎖狀態(tài)。

2.1.3 情況3（I2C控制器狀態(tài)異常）

I2C控制器狀態(tài)異常，SCL和SDA電平處于“正?！睜顟B(tài)，但主控又無法繼續(xù)操作I2C總線，也無法讀取I2C狀態(tài)寄存器值。這個情況一般都是主設(shè)備沒有發(fā)送STOP命令，進(jìn)而使其I2C控制器進(jìn)入異常狀態(tài)。

針對死鎖，I2C協(xié)議里的推薦是發(fā)送9×CLK，進(jìn)行總線復(fù)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(yīng)答位死鎖狀態(tài)，由于I2C正常發(fā)送9×CLK（8個數(shù)據(jù)位+應(yīng)答位），此時發(fā)送8CLK會使I2C總線死鎖位移到下一個字節(jié)的應(yīng)答位，SDA仍然為低電平，即陷入死循環(huán)而無法解鎖。

2.2 死鎖分析與解鎖

2.2.1 應(yīng)答位死鎖

應(yīng)答位死鎖進(jìn)入過程如下：主設(shè)備對從設(shè)備進(jìn)行讀寫操作時，進(jìn)行到應(yīng)答位，此時主設(shè)備異常復(fù)位，SCL被主設(shè)備拉高，SDA被從設(shè)備拉低，如圖2所示。

應(yīng)答位是在第9個CLK，主設(shè)備只要將SCL輸出一個低電平，從設(shè)備就會將SDA釋放到高電平，再發(fā)送一個STOP命令，就可將I2C總線解鎖，即發(fā)送1×CLK+STOP就可以將總線解鎖。另外從I2C 協(xié)議可知，I2C總線是以byte+ACK為單位進(jìn)行傳輸?shù)?，?個CLK為一組，如果發(fā)送8×CLK+STOP，則會使I2C進(jìn)入下一個byte的ACK，無法從死鎖中恢復(fù)。由此可知，對應(yīng)答位死鎖狀解鎖，發(fā)送（1+N）×CLK+STOP可以解鎖，N必須是8的整數(shù)倍。

2.2.2 讀操作時死鎖

讀操作時進(jìn)入死鎖的過程如下：主設(shè)備對從設(shè)備正在進(jìn)行讀操作，當(dāng)從設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)為0（1到8之間任意bit）時主設(shè)備異常復(fù)位，SCL就會被主設(shè)備拉高，SDA被從設(shè)備拉低，進(jìn)入死鎖狀態(tài)（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(jìn)入死鎖狀態(tài)。當(dāng)?shù)?個bit進(jìn)入死鎖時，解鎖需要8×CLK+STOP。當(dāng)?shù)?個bit進(jìn)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(shù)量大于8時，比如9×CLK+STOP也能正常解鎖?？偨Y(jié)來看，N×CLK+STOP（N≥8）可以對所有讀操作時死鎖狀態(tài)進(jìn)行解鎖。

2.2.3 控制器狀態(tài)異常

控制器狀態(tài)異常進(jìn)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(fā)送命令過程中，主設(shè)備主動或者被動停止繼續(xù)發(fā)現(xiàn)CLK，進(jìn)而使主設(shè)備的I2C控制器進(jìn)入異常狀態(tài)。

出現(xiàn)異常，一般可從主機I2C控制器內(nèi)部狀態(tài)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(xiàn)的[4]，這樣從State Reg來獲取控制器的運行狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)碼為00時就代表總線出現(xiàn)異常狀態(tài)（bus error）。此時直接發(fā)送一個STOP命令可以使控制器跳出bus error狀態(tài)，恢復(fù)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(yīng)的解決方案，見表1。但在實際應(yīng)用中，由于并不知道死鎖發(fā)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(xiàn)起來有些復(fù)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(jìn)

第2節(jié)的3種解鎖方案可以歸結(jié)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(fā)現(xiàn)該方案對上述死鎖均可有效解鎖，只是在寫操作應(yīng)答位死鎖時，雖然也能解鎖，但可能會存在向從設(shè)備誤寫數(shù)據(jù)的風(fēng)險。

對讀操作應(yīng)答位死鎖狀態(tài)，發(fā)送CLK對其進(jìn)行解鎖時，主設(shè)備知道此時讀取的數(shù)據(jù)是無效的，可以選擇忽略這些數(shù)據(jù)。

基于CAVIUM cpu的板卡，我們對從設(shè)備EEPROM即24C02（地址為0x57），偏移為0，寫數(shù)據(jù)0x5a，在ACK之后加上9×CLK+STOP，此時9×CLK發(fā)送時SDA的數(shù)據(jù)不會被寫入EEPROM內(nèi)部[7]，如圖4所示。

因此說明第2節(jié)歸納總結(jié)的方案存在缺陷。接下來分析如何改進(jìn)。

針對對寫操作應(yīng)答位死鎖解鎖無法寫入的情況，從EEPROM的內(nèi)部流程可知，EEPROM會把接收到的數(shù)據(jù)先緩存到內(nèi)部的Buffer中，當(dāng)接收到STOP條件后，才會往內(nèi)部寫。所以解鎖過程中發(fā)送9個CLK后又直接發(fā)STOP命令，就會被EEPROM認(rèn)為是無效的結(jié)束操作，沒法啟動內(nèi)部寫的動作。因此發(fā)完9個CLK后，要先發(fā)送START命令形成新開始，再發(fā)送STOP命令，就不會有誤操作。

而針對控制器狀態(tài)異常，同樣可利用START命令使從設(shè)備重新開始這一特性，在解鎖命令之前加入命令START，從設(shè)備就不會對START命令之前主設(shè)備發(fā)送的異常操作進(jìn)行應(yīng)答。

綜合來看，解決各種死鎖的歸一化解鎖命令應(yīng)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(xiàn)象模擬測試的驗證情況見表2。

表2 改進(jìn)方案驗證記錄

因此，START+9×CLK+START+STOP對讀或?qū)憫?yīng)答位死鎖狀態(tài)、讀操作死鎖狀態(tài)和控制器狀態(tài)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(jié)了實現(xiàn)的邏輯流程圖[8]，如圖5所示。

4 總結(jié)

該文在介紹了I2C基本協(xié)議后，全面地分析了各種I2C死鎖的各種原因及其對應(yīng)解決方案，并在此基礎(chǔ)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。