I2C产生死锁的原因是什么、避免、解决I2C死锁

阅读引言： 本文简述的是关于I2C在实际使用中产生死锁的问题， 本片文章会介绍如下内容， 什么是死锁， I2C产生死锁的原因， 导致的后果、以及如何解决。

目录

一、产生死锁的原因

1.死锁的概念

2.本文描述的I2C死锁

二、如何避免死锁

1.操作系统层面

2.如何避免I2C死锁

三、出现死锁的解决办法

死锁是指在并发程序中的一种状态，当两个或多个进程或线程互相持有其他进程或线程所需要的资源，导致它们都无法继续执行，进而形成了死循环的状态。简单来说，死锁是一种资源竞争的结果，其中每个进程都处于等待其他进程释放资源的状态，而没有一个进程能够继续执行。 死锁通常发生在多任务环境中，其中每个任务都需要占用一些共享资源，比如内存、I/O设备等。当多个任务同时竞争同一资源时，如果它们不按照特定顺序进行请求和释放，就有可能发生死锁。  

死锁的发生有4个必要条件：

1. 互斥条件：资源不能被共享，一次只能被一个进程占用。

2. 占有并等待条件：进程已经占有了一个资源，同时又请求其他进程占有的资源。

3. 不可抢占条件：资源只能在进程使用完之后被释放，其他进程无法强制抢占。

4. 循环等待条件：多个进程形成环形等待其他进程释放资源的循环。

要解决死锁问题，可以采取一些方法，如资源分配策略、死锁检测和死锁解除等。

        以上是对操作系统层面的死锁的概念描述， 简单来说就是多个进程或者线程都访问同一个共享资源， 当共享资源的数量只有一个的时候， 其中某一个任务先获得该资源， 但是没有释放， 就会导致后面的工作无法继续进行， 就是都会陷入阻塞态， 导致整体的任务无法继续往下执行。

        需要注意的是， 对于嵌入式开发来说， 这些临界资源可以是全局变量、当然也可以是硬件资源， 比如当一个硬件平台只有一个I2C接口的时候， 那么这个I2C接口就是一个共享资源。就是大家需要注意， 共享资源(临界资源)可以是软件也可以是硬件。

        会不会有兄弟会有疑问， 就是在什么情况下会出现I2C接口的资源竞争， 假设咱们在做一个项目， 有SI7006、AP3210C这样两款需要使用I2C驱动的芯片， 以获取到环境中的温湿度信息和光照强度。然后呢我们还用上了物联网操作系统(IOT OS), 我们创建了多个任务， 其中一个任务用于获取温湿度信息， 还有其中一个任务读取AP3216C传回来的光照强度， 那么这两个任务是不是使用的就是同一个I2C接口，就是这两块芯片接在了一条I2C总线上面， 这种情况I2C总线就是一种临界资源， 就需要使用到操作系统提供的并发控制机制， 互斥锁、信号量、信息队列等。

IIC总线在进行数据传送时，时钟线SCL为低电平期间发送器向数据线上发送一位数据，在此期间数据线上的信号允许发生变化，时钟线SCL为高电平期间接收器从数据线上读取一位数据，在此期间数据线上的信号不允许发生变化，必须保持稳定。

上述文字总结：时钟线为低电平的时候发送方往数据线上放数据， 高电平器件接收方接收数据。

大家看到下面这张图， 我们都知道在正常的情况下I2C总线能保证收发双方正常的数据读写，就是注意一下， 当时钟线出现下沿的时候才认为数据被读走了，  这句话会帮助理解下面的内容。

接着大家看这张图

图在发送第七个比特位的时候， 由于CPU复位， 或者CPU死机了I2C的时钟线一直是高电平，然而恰巧我们的从设备没有复位功能，  就相当于回到了最开始的情况， 这个时候的时钟线在等待数据线回到高电平， 才认为总线式空闲的才会产生出周期性的时钟信号，而这个时候， 数据线一直是低电平， 时钟线又一直是高电平， 就会出现死锁。一个在等待一个， 然而两个的等待条件都不成立，导致死锁。

总结： 上述文字描述的意思就是数据线在等待时钟线的下降沿， 时钟线在等待数据线的高电平， 二者等待的条件一直不成立， 最终造成死锁。

找了一个博主的解释： http://t.csdnimg.cn/BUq8D

    在I2C主设备进行读写操作的过程中.主设备在开始信号后控制SCL产生8个时钟脉冲，然后拉低SCL信号为低电平，在这个时候，从设备输出应答信号，将SDA信号拉为低电平。如果这个时候主设备异常复位，SCL就会被释放为高电平。此时，如果从设备没有复位，就会继续I2C的应答，将SDA一直拉为低电平，直到SCL变为低电平，才会结束应答信号。 而对于I2C主设备来说.复位后检测SCL和SDA信号，如果发现SDA信号为低电平，则会认为I2C总线被占用，会一直等待SCL和SDA信号变为高电 平。这样，I2C主设备等待从设备释放SDA信号，而同时I2C从设备又在等待主设备将SCL信号拉低以释放应答信号，两者相互等待，I2C总线进人一种 死锁状态。同样，当I2C进行读操作，I2C从设备应答后输出数据，如果在这个时刻I2C主设备异常复位而此时I2C从设备输出的数据位正好为0，也会导 致I2C总线进入死锁状态。

要避免死锁，可以采取以下策略：

1. 尽量减小锁定资源的范围：不要在多个资源上同时持有锁。当需要锁定多个资源时，尽量按照统一顺序进行加锁，避免多个线程持有不同的锁。

2. 避免循环等待：尽量规定所有线程获取锁的顺序，避免线程A等待线程B持有的资源，而线程B又等待线程A持有的资源，这样会形成循环等待的死锁。

3. 使用超时机制：在获取锁的过程中，设置超时时间。如果超过一定时间还未获取到所需的锁，可以释放已持有的锁，避免因等待导致的死锁。

4. 资源预分配：预分配资源，每个线程在执行任务前先获取所需的全部资源。这样每个线程都可以通过资源分配来避免死锁。

5. 检测和恢复：设置死锁检测机制，及时发现死锁的存在。一旦检测到死锁，采取相应的措施解除死锁，比如释放资源、回退操作等。

6. 合理设计数据结构和算法：在程序设计阶段，要对数据结构和算法做出合理的选择，以最大程度地减少可能导致死锁的情况。 以上策略可以帮助减少或避免死锁的发生，但并不能完全消除死锁的可能性。

因此，在程序开发中，还需要通过代码审查、测试和性能监控等手段，及时发现和解决潜在的死锁问题。

总结： 访问完临界资源后记得及时的释放锁， 锁越少越好， 注意加锁和解锁的逻辑。

要避免I2C死锁，可以考虑以下几点：

1. 仔细设计I2C通信流程：在设计I2C通信协议时，要确保所有设备之间的读写顺序是一致的，避免出现循环等待的情况。特别是在同时访问多个设备时，要注意设备之间的相互依赖关系，确保在使用一个设备之前已经完成了对其他必需设备的操作。

2. 合理设置I2C设备的时序参数：在使用I2C设备时，确保正确设置时序参数，如时钟频率、读写延迟等。要根据设备的特性和要求，选择合适的时序参数，以保证I2C通信的稳定性和可靠性。

3. 错误处理和超时机制：在执行I2C通信操作时，要做好错误处理和异常情况的处理。如果出现通信错误或超时等情况，要及时进行恢复操作，比如重启设备、重新初始化等。同时，要设置合理的超时机制，确保在一定时间内无法获取所需数据时，能够及时中断并进行错误处理。

4. 仔细分析设备文档和规范：在使用特定的I2C设备时，要详细阅读设备的文档和规范，了解设备的工作原理和通信特性。根据设备的建议和要求，合理选择通信模式和设置参数，以确保正常的I2C通信。

5. 并发访问和资源分配：如果在多个线程或任务中同时使用I2C总线进行通信，要合理规划资源的分配和访问顺序。可以使用锁或互斥量来限制同时访问I2C总线的线程数，并确保不会出现竞争和死锁的情况。

总之，要避免I2C死锁，需要在设计和实现阶段就充分考虑和预防潜在的问题。合理规划通信流程、设置时序参数、处理错误和异常情况，以及遵循设备的规范和建议，都是确保I2C通信稳定性和可靠性的重要措施。

主要有以下几点：

（1）可以选用带复位功能的从设备。

（2）在I2C总线上增加一个额外的总线恢复设备。这个设备监视I2C总线。当设备检测到SDA信号被拉低超过指定时间时，就在SCL总线上产生9个时钟 脉冲，使I2C从设备完成读操作，从死锁状态上恢复出来。总线恢复设备需要有具有编程功能，一般可以用单片机或CPLD实现这一功能。

（3）在I2C上串人一个具有死锁恢复的I2C缓冲器，如Linear公司的LTC4307是一个双向的I2C总线缓冲器，并且具有I2C总线死锁恢复的功能。LTC4307总线输入侧连接主设备，总线输出侧连接所有从设备。当LTC4307检测到输出侧SDA或SCL信号被拉低30ms时，就自动断开I2C总线输入侧与输出侧的连接.并且在输出侧SCL信号上产生16个时钟脉冲来释放总线。当总线成功恢复后，LTC4307会再次连接输入输出侧，使总线能够正常工作。