Question

如何解决I2C器件死锁的问题？

Answer 1

正常情况下，I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是在某些异常情况下会导致I2C总线锁死。例如主控制器突然复位、或者I2C总线上存在干扰、或者电源异常等都可能导致I2C总线锁死。
在I2C主设备进行读写操作的过程中，主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲。然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平 如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。而对于I2C主设备来说，复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进入一种死锁状态。
同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导致I2C总线进入死锁状态。
广州致远电子ARM核心板使用IIC设备时，遇到总线死锁是如何让总线死锁恢复呢，常用方法如下：
(1) 尽量选用带复位输人的I2C从器件，从I2C总线死锁产生的原因可以发现I2C总线死锁的一个必要条件是主设备复位了而从设备没有复位。如果从设备选用带复位输入的芯片，将主从设备的复位信号连接在一起，当外部产生复位事件时，主从设备同时复位，这样就不会发生I2C总线死锁现象了。 这种方法的缺点也是显而易见的，首先，大部分I2C从器件都没有复位输入，器件选型受到了很大的限制；其次，这种对于主设备集成看门狗引起的复位也没有效果。
(2) 将所有的从I2C设备的电源连接在一起，通过M0S管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现一般来说，I2C主设备都是具有运算单元的处理器。控制功能可以通过处理器的GPIO来实现。每次主设备复位时，运行程序控制GPIO关断MOS，使从设备失去电源。 然后延时一段时间后再导通MOS管，给从设备上电，从而达到让从设备强制复位的效果。这种方法能弥补第一种方法的不足，但是会增加电源设计的复杂性，影响Layout设计时电源的完整性； 同时还需要更改处理器的底层boot代码，影响底层软件的通用性和可移植性。
(3) 在I2C从设备设计看门狗的功能。当I2C从设备检测到自身处于应答状态或者低电平输出超过指定时间时，看门狗动作，复位I2C从设备。这种情况下不用增加额外的硬件设计，但是要求I2C从设备具有可编程功能，比较适合从设备是单片机或CPLD的情况。
(4) 在I2C主设备中增加I2C总线恢复程序。 每次I2C主设备复位后，如果检测到SDA数据线被拉低，则控制I2C 中的SCL时钟线产生9个时钟脉冲（针对8位数据的情况），这样I2C从设备就可以完成被挂起的读操作，从死锁状态中恢复过来。这种方法有很大的局限性，因为大部分主设备的I2C模块由内置的硬件电路来实现。软件并不能够直接控制SCL信号模拟产生需要时钟脉冲。使用此种方法可以使用IO模拟I2C,SCL时钟易控制。
(5) 在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备，这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟脉冲，使I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。
(6) 在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器。