I2C总线中的时钟延长和死锁
1. I2C总线的基本工作原理
I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种用于在设备之间进行短距离通信的串行总线协议，常用于微控制器与外围设备（如传感器、存储器）之间的数据传输。I2C总线上有两条信号线：
- SDA（数据线）：用于发送和接收数据。
- SCL（时钟线）：由主设备控制，用于同步数据传输。
通信流程
- 启动信号（Start Condition）：SDA线从高电平变为低电平，同时SCL线保持高电平。此信号通知所有从设备即将开始通信。
- 地址帧：主设备在SDA线上发送从设备地址，包含7位地址和1位读/写位。接收方在SCL的上升沿采样数据。
- 应答信号（ACK）：从设备在收到正确的地址后，将SDA拉低，在下一时钟周期发送一个ACK信号。
- 数据传输：主设备或从设备在SCL的每个脉冲上升沿发送数据。每个数据字节后，从设备发送一个ACK信号表示数据接收成功。
- 停止信号（Stop Condition）：SDA线从低电平变为高电平，同时SCL保持高电平。此信号通知所有从设备通信结束。
示例波形
在波形中，SDA和SCL的变化可以用来表示启动条件、地址帧、数据传输和停止条件的全过程。
2. 时钟延长（Clock Stretching）
时钟延长是指从设备在需要更多时间处理数据时，将SCL线拉低，迫使主设备暂停通信。
时钟延长过程
- 当从设备需要更多时间处理数据时，会拉低SCL线，主设备检测到SCL被拉低后，暂时暂停数据传输。
- 一旦从设备处理完成，它会释放SCL线，使其回到高电平，主设备继续传输数据。
波形表现
在波形中，时钟延长期间SCL线被拉低，直到从设备准备好继续通信为止。
3. I2C总线死锁
I2C总线死锁指的是通信过程中总线进入了无法继续正常工作的状态，通常由于SDA或SCL线被意外保持在低电平。
常见原因
- 从设备未释放SDA线。
- 时钟延长时从设备未能正确释放SCL线。
- 通信中断或硬件问题。
解决方法
- 产生假时钟信号：主设备生成时钟脉冲以强制从设备释放SDA线。
- 发送停止信号：主设备通过发送停止条件来清除未完成的通信。
- 复位I2C控制器：通过复位主设备的I2C控制器来重新初始化总线。
- 硬件复位：如果上述方法无效，可能需要对从设备或整个系统进行硬件复位。
- 有限的从设备主动复位：从设备设计上有复位自身引起的死锁的功能，即检测到SDA持续处于低电平超过一定时间，则认为可能是自身出现了问题并引起死锁，此时强制释放SDA。
4. 主设备与从设备在死锁中的角色
- 主设备：控制SCL线，并有能力检测和处理总线死锁。主设备可以采取主动措施来恢复总线。
- 从设备：处于被动角色，无法主动控制SCL线，也难以感知总线死锁的状态。通常只能等待主设备解决问题。
从设备的局限性
- 从设备无法主动检测死锁或采取行动解除死锁。
- 从设备通常只能等待主设备重新发起通信。
总结
I2C总线是一种广泛使用的串行通信协议，但在实际应用中可能会遇到死锁等问题。理解I2C的基本原理、时钟延长机制，以及在死锁情况下主设备和从设备的不同角色，有助于更好地设计和维护I2C通信系统。