I2C七宗罪之第一罪

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描述

七宗罪,七个天主教的罪过,简称七宗罪。宗为来源、根源的意思。

天主教教义中提出“按若望格西安和教宗格里高利一世分辨出教徒常遇到的重大恶行”。“重大”在这里的意思在于这些恶行会引发其他罪行的发生,罪行按严重程度递增依次为傲慢、嫉妒、愤怒、懒惰、贪婪、淫欲和暴食。

I2C第一罪

有些工程师聊起I2C的时候,会有不屑一顾的感觉, “切,不就是两根线吗,一个时钟,一个数据”!每每碰到这些人,就会有一种感觉,兄dei,你真是坑没有踩够啊!

下面是我按照本人工作时间先后顺序,列出碰到过的I2C的问题。有一点我要强调一下,我所列出的问题,不是从书上看来或者从哪里杜撰来的,每一个问题都是来自于不同的公司以及不同的项目,由本人亲历并且解决好的问题,希望对年轻的工程师有所帮助!

2005年, 在L公司(想想当年的L公司,那可是风光的很。)的光网络系统上有一块叫LKAXXX的线卡上出现了一个怪事,说到这里,肯定有人一看到MPC860, 就忍不住笑了, 一看就是上了年纪的大叔,哎,岁月不饶人呐 ^_^,我刚刚从学校里毕业的时候就是MPC860差不多诞生的时候。

示波器

先来描述一下问题:

1. 经常当有人按下Reset button后发现系统起不来了,UART console打印了一半就死在那里;

2. 再次按下复位后,症状一样, 不管怎么按复位按钮系统都死,UART打印一点点信息挂在那里;

3. 多次按复位按钮无效后,断电重启后OK;

4. 大部分情况,同一块板子按复位按钮后是OK的,但是少数情况是Fail的。

这时候很多就会说,这不是很简单,让软件用调试器加断点跟踪啊,说对了,我们firmware工程师还是很牛逼的,很快就告诉我们问题出在I2C上, 我们用示波器测量在死机情况下的I2C信号,发现SDA数据信号一直是低电平,怎么复位都没有用,一直是低,只有断电重启后,SDA才变高。那么原因初步定位了,正式因为I2C-SDA被强行拉低,才导致系统起不来,而断电后SDA被释放了,系统也就正常了。

我们知道I2C是open drain的,肯定是被什么芯片给拉了啊,这个很容易想到,不应该是CPU, 因为CPU已经被复位了啊, 那么怀疑的对象就到了和CPU相连的Device上, 乍一看下面的原理图, 我Kao,这是连连看么?还能有比这个更加简单的事情吗?

示波器

那么究竟是什么原因导致SDA被EEPROM拉低了呢?

我们再来看一张图:

示波器

我们看到这里对EEPROM的处理比较特殊, 在绝大部分的原理图里面,我从来都看不到,就是把EEPROM的电源加一个开关:

1. 当复位为低电平时,EEPROM的VDD连到低,断电;

2. 当复位为高电平时,EEPROM的VDD重新连到外部的VDD,恢复供电。

这时候聪明的小伙伴们已经悟出来, Kao!刚刚上面的LKAXXX的板子,如果我们每次按下复位按钮复位CPU的时候,通过按钮产生的复位信号High-Low-High由这里的开关电路把EEPROM的电源断开一会儿,是不是EEPROM就不会去把SDA拉低了啊,Bingo, 对了。

可是又有人说了,这不是增加成本嘛,还有啊,也没有看见有人这么干过啊,哈哈,对了,只有日本人才会这么用一根筋的设计方法,我们中国人永远找到更好的解决办法,我们继续往下走。

请看下面这张图,有没有很熟悉?

示波器

这是一个I2C的读操作,顺序如下:

1. Master发出start;

2. Master发出地址和读命令;

3. Slave给出ACK然后发出数据data7-0,这一共8拍由slave来驱动I2C SDA,(这里要记住SCL一直是由master来驱动的,当然后面也有特殊情况,这个我们留在后面的七宗罪里面详述),8拍的时间(假设100K的速率,周期为10us)是80us。

停停停停停, 搞笑的事情来了,如果在这80us的时间里面,有人按下了复位按钮, 会怎样 ?

举个“栗子”

假设四个人打麻将,我的上家把牌打出来后,就该轮到我出牌了,可是这时候来了个电话,我去接电话了, 等我回到牌桌后,我忘记了刚刚轮到我出牌,我以为上一把结束了,直接把麻将推倒洗牌了,这时候等着我的下家可就不干了,人家等着我出牌好胡呢。然后我这重来的举动惹恼了人家,道歉也好,赔不是也罢,人家不接受,不玩了!得嘞,这局麻将是玩不下去了。

类比上面I2C的情况,想象一下:

1. 80us的时候 EEPROM Slave正在配合CPU输出读的数据,人家玩得正high呢;

2. 这时候CPU收到一个复位指令,而且是强行复位,类似于接电话;

3. 等到CPU复位完了,完全忘记了刚刚EEPROM正在drive数据,甚至有可能EERPROM已经传完8bit数据,正在CPU的NAK(看上图),这事搁谁身上能受得了;

4. 这种情况CPU看起来也是没有办法,谁叫我们按下了复位按钮了呢。还有一种情况就是CPU自己不厚道,比如去执行优先级中断程序后,回来也忘记了别人(EEPROM)正在等待自己继续刚才的工作。

这里肯定会有人问,不是复位了吗? 请仔细看上面的原理图, EEPROM是没有复位管脚的,也就是说, 我们按下复位按钮时, CPU复位了,但是EEPROM没有复位,它的状态机还在等待输出数据给CPU或者等待CPU的NAK指令以便结束当前的这笔操作,这和上面打麻将的例子是一回事。

那么请问刚刚的SDA被拉低是怎么回事呢?很简单, 上图的ACK就是低电平,或者Slave drive的data bit7-0其中有高有低啊。

那么除了上面给EEPROM的电源加开关的方式,我们还有上面办法来解决这个问题呢? 

我们继续看图:

示波器

先来想想刚刚打麻将的事情,如果我打完麻将回来后,直接牌友每个人100块钱,别人肯定是乐意继续陪你玩的,很简单的办法解决了问题。如上图, 我们让软件工程师在代码里面做了下修改:

1. 当检测到SDA被拉低后;

2. 软件就持续发送9个时钟;

3. 在发9个clock的过程中SDA会变高变低;

4. 当Device发完所有数据后,SDA被释放;

5. 此时状态机到达NAK的phase时,SDA释放变高,产生了一个NAK;

6. 注意此时9个时钟不一定用完,EEPROM就把到达NAK phase把SDA释放了,但是CPU是不知道的,他会一直发完9个时钟;

7. 最后CPU再发送一个stop把整个读操作结束掉;

The 9 clock pulses make the hanging device’s state machine move to the next state after each clock pulse while the SDA released (not pulled down) which will cause a NACK when the state machine will move to the ACK phase. The NACK will force the device to go to idle mode(意思和我上面的步骤一样)。

1. Master tries to assert a logic 1 on the SDA line;

2. Master still see a logic 0 and then generate a clock pulse on SCL;

3. When device come to NAK phase, then master will generate SDA high which;is a NAK, but master does not know, until master send all the 9 clocks;

4. Master Generate a stop condition。

上面讲的是I2C读操作被中断导致死机的情况,下面聊聊I2C写操作被中断的情况,解决办法“简单粗暴”一些, 大家想想为什么。

示波器

这里一样还是只发9个时钟,在9个时钟的过程中,device就可能发出一个ack,CPU看到ACK后,再发一个stop结束本次操作:

示波器

1. Master tries to assert a logic 1 on the SDA line;

2. Master still see a logic 0 and then generate 9 clock pulse on SCL;

3. Generate a stop condition。

这里要注意,写操作被中断时,发出的9个clock一定是等到最后一个时钟发完, device才被释放。而读操作则不一定,有可能发了第一个时钟时device就被释放了只是CPU不知道,到第9个时钟时stop。

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