I2C總線設計技術及其死鎖的探討

李蔭瓏 丘珊珊

LI Yinlong QIU Shanshan

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 I2C總線概述

I2C總線是PHILIPS公司推出的一種在電子通信控制領域常用的串行通信總線，是一種簡單、雙向通信、二線制、同步的串行總線，具有連接線少、控制簡單、通信速率高等優(yōu)點。用數據線SDA和時鐘線SCL構成通信線路，各器件可并聯到總線上實現數據收發(fā)，器件間彼此獨立，通過唯一的總線地址區(qū)分。

除了發(fā)送器和接收器外，在執(zhí)行數據傳輸時，器件也可以被看作主器件（主機）或從器件（從機）。主器件是用于啟動總線傳送數據，并產生時鐘的器件，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件。在總線上主和從、發(fā)和收的關系取決于此時的數據傳送方向，而不是恒定的。如果主機要發(fā)送數據給從器件，則主機首先尋址從器件，然后主動發(fā)送數據至從器件，最后由主機終止數據傳送；如果主機要接收從器件的數據，首先由主器件尋址從器件，然后主機接收從器件發(fā)送的數據，最后由主機終止接收過程。在這種情況下，主機負責產生定時時鐘和終止數據傳送。[1]

I2C總線具有簡單性和有效性，只要求2條雙向通信線路SDA（串行數據）和SCL（串行時鐘）。I2C總線支持多主控, 其中任何能夠進行發(fā)送和接收的器件都可以成為主機，一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率，但在任何時間點上只能有一個主控。連接到相同總線上的器件數量受總線最大電容400pF限制，I2C總線上的串行8位雙向數據傳輸速率在標準模式下可達100kbit/s，快速模式下可達400kbit/s，高速模式下可達3.4Mbit/s。

2 I2C總線接口設計

I2C總線是兩條雙向的串行線，其中一條是數據串行線SDA，另一條是時鐘串行線SCL。時鐘串行線SCL用于產生時鐘脈沖，數據串行線SDA通過SCL產生的時鐘脈沖進行讀取或是寫入數據。I2C總線上可以連接多個設備，每一個設備的數據串行線SDA的端口連接到一塊，且每一個設備的時鐘串行線SCL的端口連接到一塊。通過由數據串行線SDA和時鐘串行線SCL構成的I2C總線可以發(fā)送數據到總線上，以及接收總線上的數據。I2C總線接口應用示意圖如圖1所示。

I2C總線上其SDA線以及SCL線的接口電路均是雙向的，SDA線向總線上發(fā)送數據，也可在總線上讀取數據，I2C總線上的設備可以分為主機和從機，其作為總線上的主機還是從機，主要取決于其在總線上所擔任的角色。主機點名從機，首先需要控制SCL以產生時鐘脈沖，并讀取或是發(fā)送數據到總線SDA上，以完成主機的工作，作為總線上的從機，需要回復主機的點名以及發(fā)送數據、應答ACK信號或是輸出低電平到總線上以延長主機的SCL信號，完成從機的工作。

I2C總線的接口均為集電極開路（OC）或漏極開路（OD）的形式輸出，其主要是為防止I2C總線上的信號混亂，I2C總線上的輸出端沒有安裝上拉電阻時，只能輸出低電平，如果需要保證I2C總線正常工作，就需要在I2C總線的輸出端加上拉電阻R1和R2。圖1中，所有I2C設備的SDA或是SCL的端口連接到一塊，如果任意一個I2C設備輸出低電平都將控制I2C總線（即總線處于“忙”狀態(tài)），即各I2C設備的時鐘串行線SCL是線“與”的關系，各I2C設備的數據串行線SDA也是線“與”的關系。

I2C總線主要有以下幾個方面的特點：[2]

（1）總線驅動能力強。I2C總線外圍擴展設備都是CMOS型的，功率極低，因而總線上擴展的節(jié)點數不是由電流負載能力決定的，而是由電容負載確定的。通常I2C總線負載能力為400PF，據此可以計算出總線長度及所帶設備的數量，總線上擴展的設備數量主要受設備地址的限制。

圖1 I2C總線應用示意圖

圖2 I2C總線數據有效性圖示

圖3 I2C總線起始時序及停止時序圖

（2）任何一個I2C總線接口的外圍設備，不論其功能差別有多大，都是通過數據串行線SDA和時鐘串行線SCL連接到I2C總線上。應用者只需要將I2C設備的SDA口和SCL口連接至I2C總線上，對設備進行單獨電路設計便可，給使用者帶了便利性，也簡化了整個I2C系統(tǒng)設計的復雜性，可提高整個I2C系統(tǒng)的抗干擾能力，利于EMC實驗等。

（3）只有一個I2C主機的應用系統(tǒng)當中，每一個I2C設備都有一個與其他I2C設備不一樣的設備地址，從機設備之間是互不干涉的，其只與主機進行通信，不與其他從機設備進行數據通信，主機與各從機之間的通信是通過I2C設備的獨一無二的設備地址進行通信的。

（4）I2C總線其在制定時便規(guī)定相應的規(guī)范，如I2C總線的通信時序、通信接口、數據/信號傳輸的特征、定義等等，此類規(guī)范決定了應用者在編寫I2C總線程序時的一致性。

3 I2C總線的時序

I2C為同步串行通訊方式, SDA為數據信號（數據口）、SCL為時鐘信號（高電平有效）。SCL作為同步信號, 因此I2C具有非常嚴格的時序關系。I2C總線進行數據傳輸時，時鐘信號SCL為高電平期間，數據信號SDA上的數據必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘信號SCL為低電平期間，數據信號SDA上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化，如圖2所示。I2C總線時序包括數據傳送的起始與停止時序、數據傳送時序。

I2C總線數據通信需要有起始位（S）和停止位（P）。建立起始信號（S）之前，I2C總線必須處于空閑狀態(tài)，在時鐘線SCL高電平期間，數據線SDA由高電平向低電平跳變，此定義為I2C總線起始信號（S），代表開始傳送數據，起始信號是由主機主動建立的，從機無法產生該信號。主機需要產生停止信號以結束通信時，其在時鐘線SCL高電平期間，將數據線SDA由低電平向高電平跳變，此便產生停止信號（P），代表結束向總線傳送數據，此停止信號（P）是由主機主動建立的，從機無法產生該信號，建立停止信號后，由主機控制的I2C總線將被釋放至空閑狀態(tài)，其它I2C設備可根據功能進行控制總線。起始時序及停止時序如圖3所示。

I2C總線進行傳輸數據時，規(guī)定了一定的通信時序，但這種時序并不是完全規(guī)定死的，它可以根據主機、從機特定的功能要求進行改動，但整體的時序特性、通信特征是不變的（如起始位、停止位）。如可根據特定的功能規(guī)定協(xié)議，設備地址、寄存器地址的設置，以及是否可進行頁讀/寫操作等。I2C總線在傳送數據時，是一個一個數據位傳送的，每一個數據位都有一個時鐘脈沖相對應。在總線空閑狀態(tài)下，主機控制總線，產生起始信號（S），緊接著便需要傳送設備地址（即點名從機），設備地址的高七位一般為從機的地址位，最低位為讀操作（1）位（或寫操作位（0））。主機發(fā)送完設備地址后，從機需要對號進行回復（被點名的從機進行回復，未被點名的從機不回復），從機向主機發(fā)送應答ACK信號（低電平），主機在接受到應答ACK信號后，根據實際功能確定是否進一步操作，如需要繼續(xù)通信傳輸數據，則主機進行傳送或是接收數據，直到主機產生停止信號（P）結束該通信，并釋放I2C總線。完整I2C總線數據傳輸如圖4所示。另外，I2C總線協(xié)議中主從機必須根據自己的要求約定好通信規(guī)則：command的定義和位置、address的位數和位置，以便可以正常通信。

4 I2C總線死鎖以及其解決辦法

4.1 I2C總線死鎖的原因

各I2C設備的時鐘串行線SCL是線“與”的關系，各I2C設備的數據串行線SDA也是線“與”的關系。在正常情況下，I2C總線協(xié)議能保證總線正常的讀/寫操作，但是只要總線上任何一個設備拉低了數據串行線SDA或者時鐘線串行SCL（控制總線），其他設備都無法拉高它們，如果有I2C設備不釋放總線，則整個總線上的通信都被暫停，總線被占用。

在使用I2C總線時，產生其死鎖最常見的情況便是主機在通信過程中產生了復位。在I2C通信過程中，如果主機在等待從機發(fā)送應答ACK信號期間，從機發(fā)送低電平的ACK信號，但此時I2C通信的時序被打亂（如I2C總線通信時被外界干擾或是主機復位從機未復位），從而導致時鐘線SCL重新拉高至高點平，此時I2C總線的狀態(tài)為從機在等待主機將時鐘線SCL從高拉到低電平，以停止發(fā)送ACK應答信號，而主機檢測到數據線為低電平，認為總線被占用，等待總線被釋放。此情況下，無論是主機還是從機，均在等待，使得I2C總線處于死鎖狀態(tài)，無法控制I2C總線。I2C總線上的主機在進行讀取數據時，也會產生同樣的狀況，導致總線處于死鎖狀態(tài)。以上情況是較為常見的使用軟件I2C時，導致I2C處于死鎖的狀態(tài)，此外，如果芯片I2C的中斷服務程序被屏蔽，其中斷服務函數中有不必要的死循環(huán)以及芯片I2C系統(tǒng)被禁止等均有可能導致I2C總線進入死鎖狀態(tài)，即I2C總線被占用（總線忙）狀態(tài)。

4.2 I2C總線死鎖的解決辦法

圖5 I2C總線死鎖恢復邏輯框圖

I2C總線死鎖主要出現于采用硬件I2C，如需要解決I2C死鎖問題，最好用模擬I2C實現；或者將從機的電源設計為可控，如果在I2C總線發(fā)生死鎖狀態(tài)的時候，可以將從機進行復位；或者可以在從機的程序中加入監(jiān)測功能，如果總線長時間被拉低則釋放對總線的控制；如采用硬件I2C，出現I2C死鎖，還可以在I2C主機中增加I2C總線死鎖狀態(tài)恢復程序，I2C總線死鎖恢復程序邏輯框圖如圖5所示。

將硬件I2C更改為模擬I2C（軟件I2C），并模擬輸出9個連續(xù)的SCL時間脈沖信號（針對8位數據的情況），然后再產生一個停止信號，使I2C從死鎖狀態(tài)上恢復到正常狀態(tài)，使總線能夠正常工作，之后延時一小段時間，再將軟件I2C口恢復到硬件I2C口。

5 總結

I2C總線協(xié)議非常受廣大工程師喜愛，應用也非常廣泛，在應用使用中，也會出現例如死鎖等通信問題，本文根據實際的使用主要介紹了I2C總線基本結構、接口設計及其總線數據傳輸時序，并闡述I2C總線死鎖的原因及其解決方案。