i2c- sda掛死分析
阿新 • • 發佈：2019-01-24
I2C是由Philips公司發明的一種序列資料通訊協議，僅使用兩根訊號線：SerialClock（簡稱SCL）和SerialData（簡稱SDA）。I2C是匯流排結構，1個Master，1個或多個Slave，各Slave裝置以7位地址區分，地址後面再跟1位讀寫位，表示讀（=1）或者寫（=0），所以我們有時也可看到8位形式的裝置地址，此時每個裝置有讀、寫兩個地址，高7位地址其實是相同的。
I2C資料格式如下：
無資料：SCL=1，SDA=1；
開始位（Start）：當SCL=1時，SDA由1向0跳變；
停止位（Stop）：當SCL=1時，SDA由0向1跳變；
資料位：當SCL由0向1跳變時，由傳送方控制SDA，此時SDA為有效資料，不可隨意改變SDA；
當SCL保持為0時，SDA上的資料可隨意改變；
地址位：定義同資料位，但只由Master發給Slave；
應答位（ACK）：當傳送方傳送完8位時，傳送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否應答位（NACK）：當傳送方傳送完8位時，傳送方釋放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。
當資料為單位元組傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應答，8位資料，應答，停止位。
當資料為一串位元組傳送時，格式為：
開始位，8位地址位（含1位讀寫位），應答，8位資料，應答，8位資料，應答，……，8位資料，應答，停止位。
需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照資料傳送的方向，讀資料時由Slave控制SDA，寫資料時由Master控制SDA。當8位資料傳送完畢之後，應答位或者否應答位的SDA控制權與資料位傳送時相反。
2，開始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master來發出。
3，地址的8位傳送完畢後，成功配置地址的Slave裝置必須傳送“ACK”。否則否則一定時間之後Master視為超時，將放棄資料傳送，傳送“Stop”。
4，當寫資料的時候，Master每傳送完8個數據位，Slave裝置如果還有空間接受下一個位元組應該回答“ACK”，Slave裝置如果沒有空間接受更多的位元組應該回答“NACK”，Master當收到“NACK”或者一定時間之後沒收到任何資料將視為超時，此時Master放棄資料傳送，傳送“Stop”。
5，當讀資料的時候，Slave裝置每傳送完8個數據位，如果Master希望繼續讀下一個位元組，Master應該回答“ACK”以提示Slave準備下一個數據，如果Master不希望讀取更多位元組，Master應該回答“NACK”以提示Slave裝置準備接收Stop訊號。
6，當Master速度過快Slave端來不及處理時，Slave裝置可以拉低SCL不放（SCL=0將發生“線與”）以阻止Master傳送更多的資料。此時Master將視情況減慢或結束資料傳送。
在實際應用中，並沒有強制規定資料接收方必須對於傳送的8位資料做出迴應，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO軟體模擬的方法來實現的情況下，程式設計者可以事先約定資料傳送的長度，slave不檢查NACK，有時可以起到減少系統開銷的效果。但是如果slave方是硬體i2c要求一定要標準的NACK，master方是GPIO軟體模擬i2c並沒有正確的傳送NACK，就會出現“slave收不到stop”導致i2c掛死。
在正常情況下，I2C匯流排協議能夠保證匯流排正常的讀寫操作。但是，當I2C主裝置異常復位時(看門狗動作，板上電源異常導致復位晶片動作，手動按鈕復位等等)有可能導致I2C匯流排死鎖產生。下面詳細說明一下匯流排死鎖產生的原因。
在I2C主裝置進行讀寫操作的過程中.主裝置在開始訊號後控制SCL產生8個時鐘脈衝，然後拉低SCL訊號為低電平，在這個時候，從裝置輸出應答訊號，將SDA訊號拉為低電平。如果這個時候主裝置異常復位，SCL就會被釋放為高電平。此時，如果從裝置沒有復位，就會繼續I2C的應答，將SDA一直拉為低電平，直到SCL變為低電平，才會結束應答訊號。而對於I2C主裝置來說.復位後檢測SCL和SDA訊號，如果發現SDA訊號為低電平，則會認為I2C匯流排被佔用，會一直等待SCL和SDA訊號變為高電平。這樣，I2C主裝置等待從裝置釋放SDA訊號，而同時I2C從裝置又在等待主裝置將SCL訊號拉低以釋放應答訊號，兩者相互等待，I2C匯流排進人一種死鎖狀態。同樣，當I2C進行讀操作，I2C從裝置應答後輸出資料，如果在這個時刻I2C主裝置異常復位而此時I2C從裝置輸出的資料位正好為0，也會導致I2C匯流排進入死鎖狀態。
方法
(1)儘量選用帶復位輸人的I2C從器件。
(2)將所有的從I2C裝置的電源連線在一起，通過MOS管連線到主電源，而MOS管的導通關斷由I2C主裝置來實現。
(3)在I2C從裝置設計看門狗的功能。
(4)在I2C主裝置中增加I2C匯流排恢復程式。
每次I2C主裝置復位後，如果檢測到SDA資料線被拉低，則控制I2C中的SCL時鐘線產生9個時鐘脈衝(針對8位資料的情況，“9個clk可以啟用”的方法來自NXP的文件，NXP（Philips）作為I2C匯流排的鼻祖，這樣的說法是可信的)，這樣I2C從裝置就可以完成被掛起的讀操作，從死鎖狀態中恢復過來。
這種方法有很大的侷限性，因為大部分主裝置的I2C模組由內建的硬體電路來實現，軟體並不能夠直接控制SCL訊號模擬產生需要時鐘脈衝。
或者，傳送I2C_Stop條件也能讓從裝置釋放匯流排。
如果是GPIO模擬I2C匯流排實現，那麼在I2C操作之前，加入I2C匯流排狀態檢測 I2C_Probe ，如果匯流排被佔用，則可嘗試恢復匯流排，待匯流排釋放後，再進行操作。要保證I2C操作最小單元的完整性，不被其他事件（中斷、高優先順序執行緒，等）打斷。
(5)在I2C總線上增加一個額外的匯流排恢復裝置。這個裝置監視I2C匯流排。當裝置檢測到SDA訊號被拉低超過指定時間時，就在SCL總線上產生9個時鐘脈衝，使I2C從裝置完成讀操作，從死鎖狀態上恢復出來。匯流排恢復裝置需要有具有程式設計功能，一般可以用微控制器或CPLD實現這一功能。
(6)在I2C上串人一個具有死鎖恢復的I2C緩衝器，如Linear公司的LTC4307是一個雙向的I2C匯流排緩衝器，並且具有I2C匯流排死鎖恢復的功能。LTC4307匯流排輸入側連線主裝置，匯流排輸出側連線所有從裝置。當LTC4307檢測到輸出側SDA或SCL訊號被拉低30ms時，就自動斷開I2C匯流排輸入側與輸出側的連線.並且在輸出側SCL訊號上產生16個時鐘脈衝來釋放匯流排。當匯流排成功恢復後，LTC4307會再次連線輸入輸出側，使匯流排能夠正常工作。