I2C七宗罪之第一罪（七宗罪第一罪是什么）

七宗罪，七個(gè)天主教的罪過，簡稱七宗罪。宗為來源、根源的意思。

天主教教義中提出“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惡行”?！爸卮蟆痹谶@里的意思在于這些惡行會(huì)引發(fā)其他罪行的發(fā)生，罪行按嚴(yán)重程度遞增依次為傲慢、嫉妒、憤怒、懶惰、貪婪、淫欲和暴食。

I2C第一罪

有些工程師聊起I2C的時(shí)候，會(huì)有不屑一顧的感覺， “切，不就是兩根線嗎，一個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)數(shù)據(jù)”！每每碰到這些人，就會(huì)有一種感覺，兄dei，你真是坑沒有踩夠??！

下面是我按照本人工作時(shí)間先后順序，列出碰到過的I2C的問題。有一點(diǎn)我要強(qiáng)調(diào)一下，我所列出的問題，不是從書上看來或者從哪里杜撰來的，每一個(gè)問題都是來自于不同的公司以及不同的項(xiàng)目，由本人親歷并且解決好的問題，希望對年輕的工程師有所幫助！

2005年， 在L公司（想想當(dāng)年的L公司，那可是風(fēng)光的很。）的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上有一塊叫LKAXXX的線卡上出現(xiàn)了一個(gè)怪事，說到這里，肯定有人一看到MPC860, 就忍不住笑了， 一看就是上了年紀(jì)的大叔，哎，歲月不饒人吶 ^_^，我剛剛從學(xué)校里畢業(yè)的時(shí)候就是MPC860差不多誕生的時(shí)候。

先來描述一下問題：

1. 經(jīng)常當(dāng)有人按下Reset button后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)起不來了，UART console打印了一半就死在那里；

2. 再次按下復(fù)位后，癥狀一樣, 不管怎么按復(fù)位按鈕系統(tǒng)都死，UART打印一點(diǎn)點(diǎn)信息掛在那里；

3. 多次按復(fù)位按鈕無效后，斷電重啟后OK；

4. 大部分情況，同一塊板子按復(fù)位按鈕后是OK的，但是少數(shù)情況是Fail的。

這時(shí)候很多就會(huì)說，這不是很簡單，讓軟件用調(diào)試器加斷點(diǎn)跟蹤啊，說對了，我們firmware工程師還是很牛逼的，很快就告訴我們問題出在I2C上， 我們用示波器測量在死機(jī)情況下的I2C信號，發(fā)現(xiàn)SDA數(shù)據(jù)信號一直是低電平，怎么復(fù)位都沒有用，一直是低，只有斷電重啟后，SDA才變高。那么原因初步定位了，正式因?yàn)镮2C-SDA被強(qiáng)行拉低，才導(dǎo)致系統(tǒng)起不來，而斷電后SDA被釋放了，系統(tǒng)也就正常了。

我們知道I2C是open drain的，肯定是被什么芯片給拉了啊，這個(gè)很容易想到，不應(yīng)該是CPU， 因?yàn)镃PU已經(jīng)被復(fù)位了啊， 那么懷疑的對象就到了和CPU相連的Device上, 乍一看下面的原理圖， 我Kao，這是連連看么？還能有比這個(gè)更加簡單的事情嗎？

那么究竟是什么原因?qū)е耂DA被EEPROM拉低了呢？

我們再來看一張圖：

我們看到這里對EEPROM的處理比較特殊， 在絕大部分的原理圖里面，我從來都看不到，就是把EEPROM的電源加一個(gè)開關(guān)：

1. 當(dāng)復(fù)位為低電平時(shí)，EEPROM的VDD連到低，斷電；

2. 當(dāng)復(fù)位為高電平時(shí)，EEPROM的VDD重新連到外部的VDD，恢復(fù)供電。

這時(shí)候聰明的小伙伴們已經(jīng)悟出來， Kao！剛剛上面的LKAXXX的板子，如果我們每次按下復(fù)位按鈕復(fù)位CPU的時(shí)候，通過按鈕產(chǎn)生的復(fù)位信號High-Low-High由這里的開關(guān)電路把EEPROM的電源斷開一會(huì)兒，是不是EEPROM就不會(huì)去把SDA拉低了啊，Bingo， 對了。

可是又有人說了，這不是增加成本嘛，還有啊，也沒有看見有人這么干過啊，哈哈，對了，只有日本人才會(huì)這么用一根筋的設(shè)計(jì)方法，我們中國人永遠(yuǎn)找到更好的解決辦法，我們繼續(xù)往下走。

請看下面這張圖，有沒有很熟悉？

這是一個(gè)I2C的讀操作，順序如下：

1. Master發(fā)出start；

2. Master發(fā)出地址和讀命令；

3. Slave給出ACK然后發(fā)出數(shù)據(jù)data7-0，這一共8拍由slave來驅(qū)動(dòng)I2C SDA，（這里要記住SCL一直是由master來驅(qū)動(dòng)的，當(dāng)然后面也有特殊情況，這個(gè)我們留在后面的七宗罪里面詳述），8拍的時(shí)間（假設(shè)100K的速率，周期為10us）是80us。

停停停停停， 搞笑的事情來了，如果在這80us的時(shí)間里面，有人按下了復(fù)位按鈕， 會(huì)怎樣 ？

舉個(gè)“栗子”

假設(shè)四個(gè)人打麻將，我的上家把牌打出來后，就該輪到我出牌了，可是這時(shí)候來了個(gè)電話，我去接電話了， 等我回到牌桌后，我忘記了剛剛輪到我出牌，我以為上一把結(jié)束了，直接把麻將推倒洗牌了，這時(shí)候等著我的下家可就不干了，人家等著我出牌好胡呢。然后我這重來的舉動(dòng)惹惱了人家，道歉也好，賠不是也罷，人家不接受，不玩了！得嘞，這局麻將是玩不下去了。

類比上面I2C的情況，想象一下：

1. 80us的時(shí)候 EEPROM Slave正在配合CPU輸出讀的數(shù)據(jù)，人家玩得正high呢；

2. 這時(shí)候CPU收到一個(gè)復(fù)位指令，而且是強(qiáng)行復(fù)位，類似于接電話；

3. 等到CPU復(fù)位完了，完全忘記了剛剛EEPROM正在drive數(shù)據(jù)，甚至有可能EERPROM已經(jīng)傳完8bit數(shù)據(jù)，正在CPU的NAK（看上圖），這事擱誰身上能受得了；

4. 這種情況CPU看起來也是沒有辦法，誰叫我們按下了復(fù)位按鈕了呢。還有一種情況就是CPU自己不厚道，比如去執(zhí)行優(yōu)先級中斷程序后，回來也忘記了別人(EEPROM)正在等待自己繼續(xù)剛才的工作。

這里肯定會(huì)有人問，不是復(fù)位了嗎？ 請仔細(xì)看上面的原理圖， EEPROM是沒有復(fù)位管腳的，也就是說， 我們按下復(fù)位按鈕時(shí)， CPU復(fù)位了，但是EEPROM沒有復(fù)位，它的狀態(tài)機(jī)還在等待輸出數(shù)據(jù)給CPU或者等待CPU的NAK指令以便結(jié)束當(dāng)前的這筆操作，這和上面打麻將的例子是一回事。

那么請問剛剛的SDA被拉低是怎么回事呢？很簡單， 上圖的ACK就是低電平，或者Slave drive的data bit7-0其中有高有低啊。

那么除了上面給EEPROM的電源加開關(guān)的方式，我們還有上面辦法來解決這個(gè)問題呢？

我們繼續(xù)看圖：

先來想想剛剛打麻將的事情，如果我打完麻將回來后，直接牌友每個(gè)人100塊錢，別人肯定是樂意繼續(xù)陪你玩的，很簡單的辦法解決了問題。如上圖， 我們讓軟件工程師在代碼里面做了下修改：

1. 當(dāng)檢測到SDA被拉低后；

2. 軟件就持續(xù)發(fā)送9個(gè)時(shí)鐘；

3. 在發(fā)9個(gè)clock的過程中SDA會(huì)變高變低；

4. 當(dāng)Device發(fā)完所有數(shù)據(jù)后,SDA被釋放；

5. 此時(shí)狀態(tài)機(jī)到達(dá)NAK的phase時(shí)，SDA釋放變高，產(chǎn)生了一個(gè)NAK；

6. 注意此時(shí)9個(gè)時(shí)鐘不一定用完，EEPROM就把到達(dá)NAK phase把SDA釋放了，但是CPU是不知道的,他會(huì)一直發(fā)完9個(gè)時(shí)鐘；

7. 最后CPU再發(fā)送一個(gè)stop把整個(gè)讀操作結(jié)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（意思和我上面的步驟一樣）。

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。

上面講的是I2C讀操作被中斷導(dǎo)致死機(jī)的情況，下面聊聊I2C寫操作被中斷的情況，解決辦法“簡單粗暴”一些， 大家想想為什么。

這里一樣還是只發(fā)9個(gè)時(shí)鐘，在9個(gè)時(shí)鐘的過程中，device就可能發(fā)出一個(gè)ack，CPU看到ACK后，再發(fā)一個(gè)stop結(jié)束本次操作：

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。

這里要注意，寫操作被中斷時(shí)，發(fā)出的9個(gè)clock一定是等到最后一個(gè)時(shí)鐘發(fā)完， device才被釋放。而讀操作則不一定，有可能發(fā)了第一個(gè)時(shí)鐘時(shí)device就被釋放了只是CPU不知道，到第9個(gè)時(shí)鐘時(shí)stop。

文章結(jié)束，給大家留一個(gè)思考題，為什么這里一定是9個(gè)時(shí)鐘呢？歡迎評論區(qū)留言，想明白了，這篇文章你就看懂了。