I2C总线死锁原因及解决方法

原文地址：I2C总线死锁原因及解决方法 作者：zhm4976

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最近发现访问I2C设备时，主设备复位可能会引起i2C死锁，表现为SCL为高，SDA一直为低，后发现是从设备拉死i2c总线，从设备断电之后，SDA变高，上电后通信正常。后来通过拉低SCL信号线，SDA就会自动变成高电平，i2c总线恢复。

    在正常情况下，I2C总线协议能够保证总线正常的读写操作。但是，当I2C主设备异常复位时(看门狗动作，板上电源异常导致复位芯片动作，手动按钮复位等等)有可能导致I2C总线死锁产生。下面详细说明一下总线死锁产生的原因。

    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一直拉为低电平，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总线进人一种 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。

 方法

    (1)尽量选用带复位输人的I2C从器件。

    (2)将所有的从I2C设备的电源连接在一起，通过MOS管连接到主电源，而MOS管的导通关断由I2C主设备来实现。
    (3)在I2C从设备设计看门狗的功能。

    (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，“9个clk可以激活”的方法来自NXP的文档，NXP（Philips）作为I2C总线的鼻祖，这样的说法是可信的)，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。

        或者，发送I2C_Stop条件也能让从设备释放总线。

        如果是GPIO模拟I2C总线实现，那么在I2C操作之前，加入I2C总线状态检测 I2C_Probe ，如果总线被占用，则可尝试恢复总线，待总线释放后，再进行操作。要保证I2C操作最小单元的完整性，不被其他事件（中断、高优先级线程，等）打断。

  (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，如Linear公司的LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器，并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输入侧连接主设备，总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时，就自动断开I2C总线输入侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后，LTC4307会再次连接输入输出侧，使总线能够正常工作。