I2C总线死锁的预防与恢复：嵌入式系统最佳实践

I2C 总线通常被认为是一个简单且可靠的接口，用来连接芯片，但实际上它也存在一些隐蔽的陷阱。其中最常见、也最令人头痛的问题就是 I2C 总线死锁。

本文将介绍 I2C 的基本原理，分析死锁是如何发生的，并分享在嵌入式设计中 预防和恢复 I2C 死锁的实用方法。

什么是 I2C？
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I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路间总线）是由 Philips（现为 NXP）在 40 多年前开发的两线串行通信协议。它广泛用于在微控制器和 SoC 上连接低速或中速的外设，例如 EEPROM、温度传感器和 ADC 等。

I2C 总线包含两条信号线：

SCL（时钟线）
SDA（数据线）

两条信号线均为 开漏（open-drain） 结构，并通过上拉电阻实现“线与”逻辑。这样总线上可以连接多个设备而不冲突。

下面是一个典型的 I2C 多字节读传输示例：

在开始通信之前，主设备必须确认总线空闲（SCL 和 SDA 都为高电平）。如果其中任意一条线被拉低，总线就被视为忙，新的通信无法发起。

I2C 死锁是如何发生的？
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虽然 I2C 看起来简单，但它可能进入一个 永久忙碌状态——也就是死锁，导致任何新的通信都无法进行。死锁的常见原因包括：

噪声或干扰
- 如果丢失或额外产生了时钟沿，可能导致从设备一直拉低 SDA。
上电时的毛刺
- 主设备 I/O 管脚在初始化之前可能产生异常跳变，从设备会误判信号。
软件崩溃或复位
- 在调试时若在传输过程中断点或重启软件，从设备可能一直认为通信未结束。

结果就是：

从设备认为通信还未完成，持续拉低 SDA。
主设备认为通信已经结束，不再发出时钟。
总线进入死锁状态。

如何预防 I2C 死锁？
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可靠的设计要从预防开始。以下方法有助于减少死锁发生：

硬件措施
- 使用更强的上拉电阻，加快 SCL/SDA 的上升沿。
- 确保 I2C 主设备 I/O 管脚在复位后默认为高电平。
软件措施
- 初始化时小心配置管脚，避免产生无效跳变。
- 在系统启动时主动执行一次 恢复时钟序列，清除可能的死锁。

如何检测并恢复 I2C 死锁？
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即使有预防措施，死锁仍然可能发生。健壮的系统必须具备 检测和恢复机制：

检测手段
- 任何等待 I2C 事件（如总线空闲、传输完成）都必须设定超时，而不是无限等待。
恢复策略
- 复位从设备（如果硬件支持）。
- 强制时钟脉冲：向 SCL 线发出至少 10 个脉冲，迫使从设备释放 SDA。

为什么是 10 个脉冲？

因为通常需要 9 个时钟来传输一个字节，外加 1 个 ACK 确认。

如果使用的微控制器有专用 I2C 控制器，可能需要临时将 SCL 引脚切换为 GPIO 输出，才能手动生成脉冲。

实例：软件恢复代码
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下面的例子来自 NXP KL17 微控制器。由于其 I2C 控制器无法直接驱动时钟，因此需要将 SCL 引脚临时配置为 GPIO 来产生恢复脉冲：

#define I2C_RECOVER_NUM_CLOCKS      10U     /* 恢复时钟数 */
#define I2C_RECOVER_CLOCK_FREQ      50000U  /* 恢复频率 */
#define I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US  (1000000U / (2U * I2C_RECOVER_CLOCK_FREQ))

void i2cLockupRecover (void)
{
    /* 将 SCL 配置为 GPIO */
    PORT_SetPinMux(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, kPORT_MuxAsGpio);

    const gpio_pin_config_t pinConfig = {
        .pinDirection = kGPIO_DigitalOutput,
        .outputLogic  = 1U,
    };
    GPIO_PinInit(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, &pinConfig);

    /* 产生恢复时钟脉冲 */
    for (unsigned int i = 0U; i < I2C_RECOVER_NUM_CLOCKS; ++i) {
        delayUs(I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US);
        GPIO_PinWrite(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, 0U);
        delayUs(I2C_RECOVER_CLOCK_DELAY_US);
        GPIO_PinWrite(I2C_SCL_GPIO_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, 1U);
    }

    /* 重新配置为 I2C SCL */
    PORT_SetPinMux(I2C_SCL_PORT, I2C_SCL_GPIO_PIN, kPORT_MuxAlt4);
}