I2C七宗罪之第六罪

alexwang · 发表于 2019-3-20 14:08

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本帖最后由 EDA365_PCB 于 2024-1-22 17:45 编辑

I2C七宗罪之第六罪——枯燥的协议

EDA365原创作者：John

% W! C9 y& U( G" [% k* U) N

' B! v2 p% M" Q

* c; Q* K6 n% v9 C

越到后面的几宗罪，难度越来越大，请读者要认真仔细的思考，确保学为己用。
- u" O" f: I" f% `) N
先来讲个有趣的故事，我们在大学里喜欢去图书馆自习的时候抢位置，特别是喜欢抢靠近漂亮女生旁边的位置，可以一边上自习一边欣赏美女，^_^ m6 U8 }- t2 @1 [( t
4 _2 l* c9 J' b9 C

当你要临时离开一会儿的时候，方法也比较简单，就是放一本书在椅子上，很多时候当你回来的时候却发现你的书被人拿开了，椅子上坐着的另外一个帅哥和旁边的那位美女在攀谈，恨的牙痒痒啊。0 ]# Z- b  l% P
8 X; {  D- r1 X& F- ]& w
你能做的就是等那位帅哥和美女聊完走人，你再回到那个座位上，可是你却沮丧的发现，刚刚旁边那位美女也走了，换了另外一位男的，唉，人生最悲惨的事情不过如此。* w. I" l6 ?- c, V. K% y5 D  H% v
下面给出一张图，大家来看看是否存在问题。这张图是用I2C协议分析仪抓出来的，乍一看也没啥问题，该有的都有，特别是最后在Stop之前的NAK也是有的，但真的是OK的吗？9 r* s, r$ x+ Q0 F6 W+ i+ v& f# Q

我们再来看一张图。

对比这两张图，我们得出：这是一个读数据的操作。
2 o0 Q' w* _, L5 C$ h, @
要找到第一张图的问题其实不难，我们只要仔细核对就可以了。
5 ^6 X4 G: i) [% [& g3 F6 j- Q
下面是核对出来的结果，我们发现在第二个Start之前，多了一个Stop。这样一看，这个错误还是挺明显的。4 z! N/ u3 Z5 S+ u4 U$ _( J
; c; {- s9 s1 m: G
说说总是很容易，软件工程师在代码里构建这个时序的时候，很自然会认为，前面第一笔的写操作（把Word address写入Slave的指针）已经结束，后面的一笔，读操作开始之前就应该Stop掉。

为了清洗的说明，我们列一个顺序如下：4 K& j' t: P$ v n B" y. D; M# P+ r

1.Master把要读的数据（或者寄存器）的Address先写入Slave，这里要注意理解好，这里Word Address相当于是一笔数据；
2.此时要注意整个读操作刚刚进行了一半，千万不能加Stop；
3.Master在收到前面写操作的ACK后，发一个Start；; |0 i- l- \0 W4 \" X
4.Master再发一次Device Address，然后开始接收读的数据；/ M7 M) T; t& \, w7 j' p
5.Master收到数据发一个NAK, 然后再发一个Stop结束整笔操作。

有人问，既然我们在第二个Start前多加了一个Stop，也没有见系统报错，一切正常啊，有时候访问还是成功的，这到底是为什么啊？
$ U9 L; s+ ]% F, Z2 ^" |0 V
这里有个原因很重要：因为读操作最后是有Master发出的NAK + Stop来结束掉的，而NAK是SDA-HIGH,所以即便有时候操作不正常，只要不操作SDA（SDA默认的电平时HIGH），也能得到NAK误导对方。

我们继续来说一下，如果第二Start前面多了一个Stop会产生什么样的现象？
" t. H3 g, Z: i& b9 G4 I
这是发生在ONU光猫上的Issue，现象是：从光模块SFP读回来的数据值总是不对，反复试验发现偶尔也能读对，但是写操作都是准确的。& P" X/ |" | e9 X; }

这里一定会有人问，你读操作不正常，怎么知道写的是对的啊？好问题，我们通过设置环回和打开/关闭光模块等写寄存器操作，反复确认我们写寄存器的操作是准确的。
3 Z; }" G0 ?9 D9 B3 i8 y
我们来看光模块的I2C读写标准SFF-8431里面的图，可以看到一次读操作和前面叙述的一样，分为两个部分，中间用一个START隔开。% H; e0 o! S$ D4 I8 e/ k6 K

1.Master写device address =0XA2和写命令
2.Master发出word address 0X6E
3.Master插入第二个Start. b$ E9 H' K! C' J3 q5 F: [8 L& K
4.Master再次发出device address =0XA2和读命令6 K7 f# k0 D$ U! I# {' n
5.Master接收光模块的数据0X82
6.Master发NAK8 u8 E1 j7 Z' f2 B- x( u/ L
7.Master发Stop结束本次操作
注意：图中黑色部分是我们在Vendor的平台上用准确的方式读写抓到的波形。
9 S( L& E8 y* d" m7 z9 `
如果按照上面所说的，我们在中间加了一个Stop会产生什么样的现象呢？
+ a- D: c, `5 n
为啥读数据会不正确，但是I2C总线并没有出错信息吖？前面我们已经林林总总的叙述了一些，下面给出最终的描述。

看下面这张图，是我们和Samtec的FAE在出问题的板子上一起抓到的波形图，很明显我们看到多了一个Stop，下面我们来进行分析：8 D0 \/ J4 H/ S"

1.Master写device address =0XA2和写命令
2.Master发出word address 0X6E$ B/ h9 Z" Q4 w- Q/ U! D. X
3.Master多插入了一个Stop+ ^9 p6 ^% \! [& i
4.Master插入第二个Start
注意：下面被插入了一笔完整的写数据的操作。. H; o8 l% M# K# \2 n7 g

5.Master又发出device address =0XA2和写命令
6.Master发出word address 0X7F- }" i  i  e4 b+ P0 @4 e
7.Master发出写的数据0X80
注意：开始接着上面未完成的读操作继续
3 ?4 ?: ]  U, q9 C: x$ f
8.Master又多插入了一个Stop
9.Master又插入第二个Start* E' \$ G( @* |2 n' [: f
10.Master再次发出device address =0XA2和读命令9 L; O% k! B- |+ g
11.Master接收光模块的数据，我们看到读到的数据是全0，为什么呢？& L6 S5 l1 m/ O4 n) F- P
12.Master发NAK7 F, c" ?2 K7 v& G' U. s
13.Master发Stop结束本次操作
: `9 ^) P( O  c* v+ j
相信很多人已经晕了，这到底是咋回事啊？- B' Y: O6 }4 G; M
: i/ j( D- ]0 L* S# a2 D
原来：一笔读操作，由于中间多了一个Stop，所以系统软件进程误以为前面读操作完成了，所以横空插进来一个写的操作，并且这里的写操作准确的完成了。- E9 w; X# u4 `: D4 V" S% W9 g

在写操作完成了，我们看到Master试图继续完成刚刚被中断掉的读操作，其实这也可以啊，大不了分两次，只要最终数据能准确读出来也行，可我们此时得到的数据却不是刚刚的0X82了，而是0X00，这又是为什么呢？

我们来结合这张图描述一下发生错误的过程：

1.Master开始读操作的第一步把0X6E写入Device；
2.此时被插入另外一个写操作；- j9 u2 ~# a, R/ x+ ~
3.写操作顺利完成并且把Pointer写成了0X7F（注意已经不是原来的0X6E）；# S& x' U* t- {: T1 }8 l
4.Master继续刚才被中断的写操作；. T& H) r$ K6 V. B- }' g- u- p* x$ e' a
5.注意此时Pointer的值是0X7F,所以读到的值是0X7F这个地址的值。
c1 ]9 Z/ V. f1 g, f- P
这里就清楚了：一次完整的I2C读操作访问，如果中间加了不应该有的Stop，就会被其它进程强占，从而插入另外的写操作，导致访问memory或者寄存器的地址指针被覆盖，Master然后接着完成刚刚被中断的操作，也不能正确读写到要访问的值。
g4 E, H* n. A( n$ d2 ?
这里分享几件有趣的事：
1.由于只是读有问题，写操作是好的，所以产品的功能是OK的，在市场卖了那么多，都没有人发现这个问题，也蛮搞笑的；
2.I2C的读操作一直NAK操作是SDA=HIGH, 由于SDA默认就是High（前面讲过Open drain和上拉），所以即便设备没有做什么？也会让等待NAK的设备误认为NAK已经产生了；
3.系统软件有时候是会和硬件打架的，所以相互合作才能找到问题的根源，否则相互推责任只会让解决问题很困难；
4.发现问题并且解决问题，写个文章很简单，但是调试的过程却是痛苦的，特别是I2C这种接口，一共2根线，很多人比较轻视，这是不可取的。

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