Software Reset

iIC software rest

 

核心问题

当通信中的 I²C 设备（从设备）因为电源中断、系统复位或通信数据错误等原因而“卡住”或进入一种不可预知的状态时，它可能不再响应主控制器（通常是单片机或CPU）的命令。这时，物理上断电再上电（硬件复位）可以解决，但很不方便。

这个“软件复位”流程就是为了在不切断电源的情况下，通过一系列特定的信号操作，让卡住的设备恢复到正常的待机状态，以便重新开始通信。

步骤解析

这个过程可以理解为给设备发送一个“强制重启”的信号序列：

  1. Create a Start bit condition（产生一个起始条件）

    • 含义：在 I²C 协议中，起始条件（Start Condition） 是通信开始的信号。具体做法是在 SCL 为高电平期间，将 SDA 从高电平拉低。

    • 目的：这是启动任何 I²C 通信的标准第一步，用来唤醒总线上的设备，告诉它们“注意，要开始传输数据了”。

  2. Clock nine cycles（时钟九个周期）

    • 含义：主控制器继续产生 9 个时钟脉冲（SCL 高低电平切换）。在此期间，主控制器可以忽略 SDA 数据线上的状态（即不读取数据）。

    • 目的：这是整个流程的关键。卡住的设备可能正卡在等待发送或接收某个数据位的状态（比如它正在输出一个字节的第 7 位）。连续提供 9 个时钟脉冲（比一个完整字节 8 位多一位）可以确保：

      • 无论设备卡在什么状态，都能被“推着”完成当前数据的传输。

      • 这相当于“喂”给它足够多的时钟，让它把内部可能存在的错误状态“吐完”或“消化掉”，从而将其内部的状态机（State Machine）复位到一个已知的起点。

  3. Create another Start bit followed by stop bit condition（再产生一个起始条件，后跟一个停止条件）

    • 含义：

      • 另一个起始条件：再次产生一个标准的起始信号（SCL高时SDA由高变低）。

      • 停止条件（Stop Condition）：在 SCL 为高电平期间，将 SDA 从低电平拉高。这是 I²C 协议中结束通信的信号。

    • 目的：

      • 这个 “起始信号 + 停止信号” 的组合是一个强制的、明确的终止命令。它向总线上所有的设备表明，之前的任何未完成的通信都被强制中止，总线现在被释放，并准备好开始一个全新的、干净的通信会话。

二、在RT-thread 中也有一个“stm32_i2c_bus_unlock”，路径libraries/HAL_Drivers/drv_soft_i2c.c文件

static rt_err_t stm32_i2c_bus_unlock(const struct stm32_soft_i2c_config *cfg)
{
    rt_int32_t i = 0;

    if (PIN_LOW == rt_pin_read(cfg->sda))
    {
        while (i++ < 9)
        {
            rt_pin_write(cfg->scl, PIN_HIGH);
            stm32_udelay(100);
            rt_pin_write(cfg->scl, PIN_LOW);
            stm32_udelay(100);
        }
    }
    if (PIN_LOW == rt_pin_read(cfg->sda))
    {
        return -RT_ERROR;
    }

    return RT_EOK;
}
 

为什么SDA会一直为低电平？

这通常是由于以下原因之一：

  1. 从设备故障：I²C从设备（如传感器、EEPROM等）内部逻辑卡死，其输出驱动器异常地将SDA线拉低且不再释放。

  2. 通信中断：在之前的通信中，主设备在从设备正在发送数据（特别是发送一个字节的“0”位，即拉低SDA）时突然停止了提供时钟（SCL），导致从设备“挂起”在输出低电平的状态。

  3. 硬件问题：PCB短路或硬件设计缺陷（如上拉电阻开路/未安装）也可能导致类似现象，但最常见的是前两种。

解决方案：先“解锁”总线

当检测到SDA被意外拉低时，在执行协议复位流程之前，必须先通过时钟同步（Clock Stretching Recovery） 的方式来尝试释放SDA线。具体步骤如下：

  1. 检测到SDA为低：主控制器在尝试发起起始条件前，先读取SDA线的电平状态，发现其为低。

  2. 发送时钟脉冲（最关键的一步）：

    • 主控制器不再尝试控制SDA线，而是将SDA线配置为输入模式（高阻抗），只专注于控制SCL线。

    • 主控制器开始连续产生时钟脉冲（在SCL线上产生高低电平的变化），通常也是连续产生9个或更多的脉冲。

    • 目的：这个动作是“提醒”那个正在拉低SDA的从设备：“请继续完成你未完成的数据传输”。每个时钟脉冲都允许从设备继续发送它的下一个数据位。由于一个字节是8位，发送9个脉冲可以保证至少完成一整个字节的传输，并进入到应答位（ACK/NACK）阶段。在这个过程的最后，从设备应该会释放SDA线（将SDA拉高），以等待主设备发送应答位。

  3. 检查SDA是否释放：

    • 在发送时钟脉冲的过程中或之后，主控制器持续监控SDA线。

    • 如果成功：SDA线被从设备释放，变为高电平。此时总线已被“解锁”，主设备重新获得了对SDA线的控制权。

  4. 执行标准的软件复位流程：

    • 现在SDA线可以自由拉高拉低了，主设备便可以成功地执行您最初提到的三步复位流程：

      • a) 产生一个起始条件（SCL高时，SDA高→低）。

      • b) 时钟9个周期。

      • c) 产生一个起始条件后紧跟一个停止条件（SCL高时，SDA低→高）。

总结与比喻

这就像一个对话被意外打断，一个人（从设备）正张着嘴说半个字卡住了（拉低SDA）。

  • 标准软件复位：适用于对方只是走神没反应，但没妨碍你说话（SDA可被拉高）。

  • SDA被拉低：相当于对方用手捂住了你的嘴（SDA被拉低），你没法开口说“开始”（Start）或“结束”（Stop）。

  • 发送时钟脉冲：相当于你不对他说话，而是连续拍他的肩膀（发送SCL时钟），催促他：“快说！快说！把你那句话说完！”。直到他把手从你嘴上拿开（释放SDA），你才能重新开始正常的对话（执行起始/停止条件）。

因此，完整的恢复流程应该是：

  1. 判断：发现SDA被意外拉低。

  2. 解锁：（在不对SDA进行操作的情况下）连续产生SCL时钟脉冲（例如9个），直到SDA被释放变为高电平。

  3. 复位：一旦SDA恢复高电平，立即执行标准的“起始 -> 时钟9次 -> 起始+停止”软件复位序列。

很多现代的单片机I²C硬件控制器（如STM32的I²C外设）都有内置的硬件机制来自动检测和处理这种总线锁死的情况，通常称为“总线清除（Bus Clear）”或“时钟超时（Clock Timeout）”功能。

 
 
 
posted @ 2025-09-12 09:19  北溟有渔  阅读(14)  评论(0)    收藏  举报