i.MX RT1010的I2C Slave時鐘延展功能小記

最近客戶在使用i.MX RT1010的I2C作為從機(jī)設(shè)備與主機(jī)通訊，使用了時鐘延展的功能（clock stretching）。在開發(fā)過程中遇到了一些小煩惱和小細(xì)節(jié)，在此呢，也寫下一篇文檔予以總結(jié)。

什么是時鐘延展

首先，簡單介紹一下什么是時鐘延展。時鐘延展是指從機(jī)通過將SCL拉低以暫停數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€過程，在暫停過程中，從機(jī)可以有更多的時間處理接收到的數(shù)據(jù)，或者準(zhǔn)備即將發(fā)送的數(shù)據(jù)。在相關(guān)的處理和準(zhǔn)備完成之后，將交出SCL的控制權(quán)，主機(jī)繼續(xù)控制SCL的節(jié)奏進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。換句話說，時鐘延展是從機(jī)跟不上主機(jī)的速度，讓老司機(jī)等等它，啊不，是讓主機(jī)等等它的操作。

時鐘延展通常分為兩種，一種是字節(jié)級(byte)的時鐘延展，一種是比特級（bit）的時鐘延展。字節(jié)級的時鐘延展是按照字節(jié)為單位開展，每一個字節(jié)收發(fā)結(jié)束之后啟動。比特級則是每個數(shù)據(jù)bit都進(jìn)行延展，強(qiáng)行讓master慢下來。

在查閱相關(guān)資料的過程中發(fā)現(xiàn)，并不是所有的I2C從機(jī)設(shè)備都支持時鐘延展，例如I2C的傳感器，部分存儲設(shè)備；也并不是所有的主機(jī)設(shè)備也支持時鐘延展，例如使用IO口模擬實現(xiàn)的I2C或者是FPGA上實現(xiàn)的I2C。因此在使用之前，需要檢查器件自身是否支持時鐘延展。

四種時鐘延展功能

在我們i.MX RT1010上總共支持4種字節(jié)級的時鐘延展：

下面我們將對這四種時鐘延展的功能進(jìn)行簡要介紹，以下介紹均為從機(jī)視角。

延展功能1：收完地址等一等

在從機(jī)接收完主機(jī)發(fā)送的地址信息后，且AVF 置位，則此時從機(jī)獲得SCL的控制權(quán)，開始持續(xù)拉低SCL開啟時鐘延展。那么什么時候結(jié)束呢，從硬件狀態(tài)機(jī)的角度看，當(dāng)AVF bit被清除，時鐘延展結(jié)束，主機(jī)獲得SCL的控制權(quán)。

舉個例子，用我們SDK工程在接收到地址信息后強(qiáng)行延時500us再去清除AVF bit, 看看波形是怎樣的：

從圖中可以看到，兩次時鐘間隔約491us,基本上與500us的預(yù)期相匹配。并不是完美的500us的原因是，延時函數(shù)沒有使用定時器精確延時。

延展功能2：發(fā)送之前等一等

在從機(jī)接收到主機(jī)的地址信息和讀指令后，TDF將會置位，則此時從機(jī)獲得SCL的控制權(quán)。同樣是在清除TDF bit之后，主機(jī)再次獲得SCL的控制權(quán)。在這個過程中，從機(jī)可以根據(jù)主機(jī)發(fā)送的信息，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，再釋放SCL的控制權(quán)。同樣舉個例子，再清除TDF bit 之前等一等，這次等的長一點800us。

延展功能3：接收之前等一等

在從機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，RDF會置位，此時從機(jī)會獲得SCL的控制權(quán)。同樣是在清除TDF bit之后，主機(jī)再次獲得SCL的控制權(quán)。拉個波形看看，在清標(biāo)志位前拉個1000us的延時，波形如下圖所示。

延展功能4：手動回ACK

這里是指，當(dāng)主機(jī)把數(shù)據(jù)（地址信息或者數(shù)據(jù)信息）發(fā)送給從機(jī)后，在傳送完第八個bit（或者說是第八個時鐘）之后，從機(jī)即獲得了SCL的控制權(quán)限，在此時需要手動向STAR寄存器中最后一位寫0或者1，以向主機(jī)反饋ACK 或者NACK。在寫0之前，我們增加一個500us的延時，地址信息的波形見下圖，可以看到第八個和第九個CLK時鐘的間隔被拉長。

從機(jī)接收數(shù)據(jù)的信息見下圖，同樣可以看到，第八個和第九個的時鐘被拉長了。

時鐘延展的時序要求

在使用時鐘延展的功能后，同樣不能忽略的一個要點是要滿足I2C的AC timing，即數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間。對于不同的工作速度，I2C對于這兩個參數(shù)的時間要求也是不同的，下圖為I2C的規(guī)范上的截圖。

對于i.MX RT1010來說，我們在開啟時鐘延展功能后需要對下面的兩個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以滿足I2C的timing要求。

CLKHOLD: I2C的數(shù)據(jù)的建立時間，需要根據(jù)不同的通訊速度進(jìn)行設(shè)置。

DATAVD: I2C的數(shù)據(jù)保持時間，通常來看保持為0即可。

如果不能正確設(shè)置CLKHOLD的時間會怎樣呢？

造成時序混亂，當(dāng)SCL的驅(qū)動能力較強(qiáng)，且SDA的負(fù)載較重的時候，甚至?xí)餝CL上升的比SDA速度快，那么想一下I2C的停止條件，當(dāng)SCL處于高電平時，SDA拉高。那么就會讓總線停止傳輸，除此以外，可能還會有其他的未知問題發(fā)生。

其次，關(guān)于CLKHOLD時間的計算，目前的驅(qū)動程序是有些小問題的。因此建議徒手?jǐn)]寄存器，自己把想要的數(shù)值填寫到CLKHOLD寄存器內(nèi)。對于具體的時間，計算公式如下：

t =(CLKHOLD + 3) * Tclk

這里的Tclk是指I2C的functional clock的周期。因此，真正的建立時間，是CLKHOLD的數(shù)值和I2C 的輸入時鐘頻率共同作用的結(jié)果。

哦對了，如何使能時鐘延展功能？

如果你喜歡寄存器操作，那么可以在SCFGR1寄存器中的bit[3:0]直接開啟對應(yīng)的功能：

如果你習(xí)慣SDK操作，那么在這個結(jié)構(gòu)體里把對應(yīng)的功能寫true吧：

來源：恩智浦MCU加油站

審核編輯：湯梓紅