解救I2C总线BUSY死锁

12个月前发布

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摘要：本文深入浅出地介绍如何发现I2C总线死锁，分析了各种可能的失效模式，最终找到解决方案。对于硬件工程师如何分析解决问题有一定的参考价值。

关键词：I2C，BUSY，死锁

1.概述

江湖上一直有一个传说，那就是ST的I2C不可靠。ST作为ARM构架32位处理器的老大哥，我是不愿意相信这种鬼话的。这么多年下来，一直用I2C总线接口的EEPROM，从来没有出过问题。直到最近我玩票了一款I2C的OLED显示屏，种种迹象表明，那些遥远的传说，也许是真的。

考虑到我们越来越多的产品需要带显示器，弄了一个0.96寸I2C接口的OLED显示屏耍耍。该显示屏驱动芯片用的是SOLOMON公司的SSD1306，单色128*64分辨率。

这个芯片的驱动程序就是利用ST的HAL库函数写SSD1306命令寄存器或者显存数据，移植过程比较简单，与写EEPROM接口函数一模一样，只是从设备地址不一样而已。点亮屏幕后，调用字符串显示函数，效果如图1所示。

图1 0.96寸OLED显示效果

在接下来动态刷屏的过程中，发现屏幕偶尔会死机。一开始怀疑I2C的速度太快，出现误码引起的，把I2C时钟频率从400kHz降到100kHz，故障率没有改变。

后来怀疑，是不是显示的数据太多，I2C屛显示的东西太多，通讯过程容易故障，对驱动程序一番优化，大大减少刷新次数和数据，可是在翻页的时候，还是会出现死机。

2. 寻道

为了解决死机的问题，只好先采取一些临时措施，比如说：没有按键操作，时间超过5分钟，就关掉屏幕，也就是说停止I2C通讯，从而避免出错，但是在一些需要屏幕一直点亮的场合，这肯定行不通。

第二个方案相对可行写，激活独立看门狗，万一显示任务崩溃了，通过看门复位主程序，当然，这个也只是治标不治本。有些应用场合，也是不允许轻易复位的，容易造成数据丢失。

是时候追寻真正的原因了！

首先，通过J-Link RTT Viewer监视I2C通讯失败返回值，如图2所示：

图2 监视I2C通讯失败返回值

通过查看函数HAL_I2C_Mem_Write返回值宏定义可以知道，2是HAL_BUSY的枚举值。也就是说，屏幕之所以死机，是因为写SSD1306的时候，I2C检测到总线忙，所以数据发不出去，换句话说，就是总线“忙死”了！

3. 悟道

既然I2C是因为状态为BUSY导致无法使用，首先想到的是加长超时等待时间，既然你忙，我慢慢等你呗，把timeout从10ms加长到2000ms，但是故障依然没有消除。

我也尝试采用do-while结构，一直检查写I2C返回值，结果直到看门狗复位，都没有等到I2C闲下来。看来，真的是忙死掉了。

接下来，我想通过复位I2C状态来解决这个问题，代码如Listing 01：

/**

* @brief write SSD1306

* @param pucData, writen to ssd1306

* @param size, data quantity

* @retval void

static void prvWriteData(unsigned char *pucData, uint16_t size)

{

HAL_StatusTypeDef xRetVal;

{

/* write data to SSD1306 */

xRetVal = HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c2,OLED_SA,MEM_DATA,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,pucData,size,5);

if(xRetVal != HAL_OK)

{

/* output return value by RTT */

SEGGER_RTT_printf(0,”i2c write data fail:%dn”,xRetVal);

/* release SDA and SCL */

HAL_I2C_DeInit(&hi2c2);

/* initialize again */

HAL_I2C_Init(&hi2c2);

}

while(xRetVal != HAL_OK);

}

Listing 01 重新初始化I2C

我想，不管你有多忙，我重新初始化I2C外设了，你总归回复正常了吧。但是，并没有解决这个问题。

既然重新复位了I2C仍然没有解决问题，这个时候，我开始怀疑是不是屛的质量了，毕竟10来块钱的东西，有点质量问题也是难免的。

然后对屛进行了若干改造，减少I2C 上拉电阻，增加滤波电容，各种骚操作，但是于事无补。

上网花了10块钱又买了一个SPI接口屏幕，移植程序，发现一切都是OK的，驱动芯片都是SSD1306，这把问题又引回来I2C。

用逻辑分析仪监视I2C总线，发现屏幕死机之前，所有数据解析都是正常的，而且没有出现过误码之类的错误，这说明I2C时钟频率跑400kHz是没问题的。但是一旦出现BUSY锁死之后，发现总线SDA确实被拉倒低电平了。而且再也回不去了。这等于是I2C控制器永远失去了对I2C的控制权，所以就出现了前面所描述的故障。

百度了一下I2C BUSY关键字，结果弹出一堆这个问题，如图3所示：

图3 I2C BUSY检索结果

基本上都是说ST的F1系列，I2C控制器可能存在缺陷，容易造成BUSY死锁，甚至复位微处理器都解决不了。解决方案也很简单：

（1）把SCL和SDA两个GPIO口重新配置成普通输出

（2）强制把SCL和SDA拉回高电平

（3）软件复位I2C控制器

（4）释放复位

（5）重新配置I2C

源代码如Listing 02所示：

/**

* @brief Fix i2c Busy Deadlock hardware bug

* @param handle pointer of i2c

* @retval void

* @remark call this function in HAL_I2C_MspInit() defined in i2c.c

**/

void HAL_I2C2_FixBusyDeadlock(I2C_HandleTypeDef* i2cHandle)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

/* step 1, config GPIO SCL and SDA as output */

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11;

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

/* step 2, pull up GPIO SCL and SDA */

HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_10, GPIO_PIN_SET);

HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_11, GPIO_PIN_SET);

/* step 3, software reset I2C controller */

i2cHandle->Instance->CR1 = I2C_CR1_SWRST;

/* step 4, release reset */

i2cHandle->Instance->CR1 = 0;

}

Listing 解除I2C BUSY 死锁

至此，问题得到了解决。在运行的过程会，偶尔发生了BUSY 死锁，通过上面的补丁，I2C马上又重新获取了总线控制权，通过RTT监视的数据也可以看出来，发生过BUSY报错，但是马上又解除了，如图4所示。

图4 发生BUSY报错后又自动消除

4小结：

我一直都是ST的忠实粉丝，觉得生态环境做得真好。但是I2C这个事情，可能真的要重视一下，死锁的后果是很严重的。有一些人宁愿用GPIO口模拟I2C时序，也不要用ST自带的I2C控制器，说明不认可的人还是蛮多的。

鄙人还是以前那个观点，能用I2C控制器还是优先用控制器，毕竟ST的HAL库写得还是非常不错的，不使用控制器，中断和DMA就没法用了，一些总线状态寄存器也没法用了。

回到I2C BUSY死锁这个问题，解决方案就是监视写I2C返回值，一旦发现是HAL_BUSY，就调用我写的HAL_I2C2_FixBusyDeadlock补丁，然后重新初始I2C总线。

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