I2C幾乎是嵌入系統(tǒng)中最為通用串行總線，MCU周邊的各種器件只要對速度要求不高都可以使用。優(yōu)點(diǎn)是兼容性好（幾乎所有MCU都有I2C主機(jī)控制器驳遵，沒有也可以用IO模擬）怨喘，管腳占用少津畸，芯片實(shí)現(xiàn)簡單。I2C協(xié)議雖然簡單必怜，實(shí)際使用過程中小毛病還不少肉拓。今天先來看一個(gè)平日最為常見的問題：I2C從機(jī)掛死。
很多事情不難而且經(jīng)常碰到棚赔，每次自認(rèn)為懂了但最終讓你站出來說清楚的時(shí)候卻總是不能自圓其說帝簇，很難受。所以我決定寫博客的時(shí)候就想盡量把內(nèi)容寫清楚詳細(xì)甚至是透徹靠益，希望讓每一個(gè)閱讀博文的同學(xué)都能看得明明白白丧肴，學(xué)會(huì)一點(diǎn)小知識(shí)。如果還有不清楚的可以留言交流.
I2C規(guī)范與特性
I2C是什么胧后，我相信99%的同學(xué)能點(diǎn)到這篇博文對I2C也有了一定的了解芋浮，這里附上一份I2C鼻祖NXP （前Philips半導(dǎo)體）的一份權(quán)威手冊：I2C-bus specification and user manual v.6
描述一下I2C最重要的幾個(gè)特性，為了后面描述問題和解決方案作一些鋪墊壳快。
- I2C是由兩根線（時(shí)鐘SCL + 數(shù)據(jù)SDA）組成的多主多從串行同步通信總線纸巷。
- 規(guī)范要求接入I2C的器件，SCL時(shí)鐘和SDA數(shù)據(jù)線都必須是雙向開漏結(jié)構(gòu)的眶痰，通過總線上的上拉電阻拉到邏輯高電平瘤旨。這樣的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)線與（&）功能。
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一般情況下I2C的SDA只有在SCL為低電平的時(shí)候才能改變竖伯，為高電平的時(shí)候需要保持存哲。對應(yīng)到芯片設(shè)計(jì)上則是上升沿采樣，下降沿變化七婴。
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兩個(gè)例外情況由主機(jī)發(fā)出的總線起始條件START（SCL為高時(shí)SDA由高變低）和停止條件STOP（SCL為高時(shí)SDA由低變高）
掛死 = 掛了 + 死機(jī)
掛死這個(gè)詞應(yīng)該來源于英文hangs : To cause (a computer system) to halt so that input devices, such as the keyboard or the mouse, do not function.
前面提到因?yàn)?strong>線與&結(jié)構(gòu)祟偷，是I2C總線設(shè)計(jì)上最關(guān)鍵的特征，用了這種結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)
- 多主機(jī)仲裁同步
- 慢從機(jī)同步快主機(jī)
因?yàn)檫@個(gè)特性打厘，只要總線上任何一個(gè)器件拉低了SDA或者SCL修肠，其他器件都無法拉高它們，看到的都是低電平户盯。如果有器件不釋放總線嵌施，則整個(gè)總線上的通訊都會(huì)被暫停饲化，我們成為I2C bus hangs：I2C總線掛死
因?yàn)镮2C主機(jī)一般是可編程的器件，受我們控制艰管，如果主機(jī)主動(dòng)拉低了總線滓侍，我們可以通過調(diào)試代碼了解原因，也可以很方便的通過復(fù)位I2C外設(shè)或者復(fù)位芯片來退出這種狀態(tài)牲芋。而I2C從機(jī)往往不帶RESET引腳撩笆，如果掛死了總線即使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位都無法解除，僅重新上下電才可以恢復(fù)缸浦。很多系統(tǒng)上是不可接受的夕冲，因此我們需要更加小心的處理I2C從機(jī)掛死的情況，下面分析也是針對I2C從機(jī)掛死來寫的裂逐。
SDA掛死
先來看下哪些情況下I2C從機(jī)會(huì)需要拉低SDA線歹鱼。
- 主機(jī)向從機(jī)寫數(shù)據(jù)或地址時(shí)，從機(jī)如果發(fā)出ACK應(yīng)答卜高，則會(huì)第9個(gè)CLK的期間拉低SDA
- 主機(jī)讀數(shù)據(jù)的時(shí)候弥姻，從機(jī)會(huì)在bit為0時(shí)對應(yīng)的CLK期間拉低SDA
那什么情況I2C從機(jī)又可能鉗住SDA線呢？我們先來看一個(gè)典型的I2C主機(jī)發(fā)起對某一器件地址讀操作掺涛，讀到的數(shù)據(jù)為10011000b庭敦，MSB在先也就是0x98。在圖中地址字節(jié)第9個(gè)CLK期間從機(jī)拉低SDA表示對地址進(jìn)行應(yīng)答薪缆，在返回的數(shù)據(jù)字節(jié)的第2秧廉，3，6拣帽，7疼电，8幾個(gè)CLK器件從機(jī)拉低SDA輸出邏輯0電平。
根據(jù)上面講的I2C協(xié)議SCL為高的時(shí)候减拭，SDA電平應(yīng)保持蔽豺，而等到SCL為低后（也就是下降沿后）才能發(fā)生改變。如果在上面幾個(gè)CLK的前半個(gè)周期SCL拉高后主機(jī)不再拉低呢拧粪？從機(jī)會(huì)有什么動(dòng)作修陡？YES，從機(jī)會(huì)持續(xù)拉低著SDA既们，直到見到下一個(gè)他應(yīng)該輸出高電平的下降沿濒析。
最常見的情況就是主機(jī)在通訊的過程中產(chǎn)生了復(fù)位正什。由于復(fù)位動(dòng)作通常會(huì)立刻執(zhí)行啥纸，外設(shè)狀態(tài)機(jī)都恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)，也就發(fā)不出完整的CLK了婴氮。那么等到主機(jī)復(fù)位完成回來后斯棒，SCL為高盾致，SDA被從機(jī)拉低。主機(jī)無法發(fā)起START起始條件荣暮，不能開始下一次與從機(jī)的通訊庭惜，這稱為SDA掛死。
要想辦法恢復(fù)穗酥，我們先得知道從機(jī)什么時(shí)候會(huì)釋放SDA护赊。由于剛剛的SCL下降沿沒有給出來，恢復(fù)總線要做的第一件事情就是在想辦法用GPIO在SCL線上模擬一個(gè)下降沿砾跃，讓從機(jī)狀態(tài)機(jī)繼續(xù)走下去骏啰。只發(fā)一個(gè)下降沿并不一定能將SDA釋放，因?yàn)槲覀儾⒉磺宄?dāng)主機(jī)復(fù)位異常發(fā)生時(shí)刻從機(jī)到底處于圖中哪一個(gè)狀態(tài)抽高，所以需要逐個(gè)CLK去探測判耕，直到見到SDA被釋放了，我們才終止并且發(fā)送STOP條件告訴從機(jī)這次坑爹的通訊結(jié)束了翘骂。
網(wǎng)上通常的傳授的方法是模擬9個(gè)連續(xù)的CLK壁熄，但是我更喜歡上面的方法，一是速度快碳竟，二是具備可確定性草丧。發(fā)送9個(gè)CLK我主要擔(dān)心從機(jī)在最后一個(gè)CLK時(shí)又拉低了SDA，還是需要用到上面的方法來釋放瞭亮。
通過模擬幾種情形來實(shí)際體會(huì)一下（從機(jī)對SDA的操作紅色表示）：
如果在地址字節(jié)第9個(gè)CLK拉高后主機(jī)復(fù)位方仿。在模擬的第一個(gè)時(shí)鐘低電平期間就可以看到SDA的釋放，隨后主機(jī)先拉低SDA统翩，再模擬一個(gè)STOP結(jié)束條件仙蚜。
在數(shù)據(jù)字節(jié)第2個(gè)CLK拉高后主機(jī)復(fù)位，在第二個(gè)模擬的時(shí)鐘低電平期間才看到SDA釋放
在數(shù)據(jù)字節(jié)第6個(gè)CLK拉高后主機(jī)復(fù)位厂汗，在第三個(gè)模擬的時(shí)鐘低電平期間才看到SDA釋放
通過以上三種情況的分析委粉，想必你已經(jīng)非常清楚改如何處理了，最后附上一個(gè)程序處理流程圖：
SCL掛死
I2C從機(jī)主動(dòng)拉低SCL線在規(guī)范中是一個(gè)合法的行為娶桦，稱之為Clock Stretching（時(shí)鐘擴(kuò)展贾节，我一般叫他時(shí)鐘同步）。通常是主機(jī)請求數(shù)據(jù)（ 收或者發(fā)）后從機(jī)需要一些時(shí)間處理衷畦，且沒有多余Buffer可以接收接或者提供接下來的數(shù)據(jù)的時(shí)候從機(jī)則會(huì)拉低SCL一段時(shí)間直到有新的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好栗涂。
SCL掛死（也就是前面所說一直拉低SCL）這種情況在標(biāo)準(zhǔn)I2C從器件上基本不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)橹灰酒€在正常工作buffer總算有準(zhǔn)備好的時(shí)候祈争，自然就就釋放SCL了斤程。往往是使用用戶使用MCU作為I2C從機(jī)時(shí)，程序設(shè)計(jì)上的問題導(dǎo)致MCU無法讀取&填充buffer而導(dǎo)致菩混，重點(diǎn)分析MCU I2C中斷服務(wù)程序忿墅。
- I2C中斷服務(wù)程序被意外屏蔽
- 中斷服務(wù)程序中陷入了一些標(biāo)志位查詢的
while(flag != xxx)死循環(huán) - I2C功能系統(tǒng)被意外禁止
