i.MX RT1010的I2C Slave时钟延展功能小记

NXP管管 · 发表于 2021-11-25 16:38:13

i.MX RT1010的I2C Slave时钟延展功能小记

最近客户在使用i.MX RT1010的I2C作为从机设备与主机通讯，使用了时钟延展的功能（clock stretching）。在开发过程中遇到了一些小烦恼和小细节，在此呢，也写下一篇文档予以总结。

什么是时钟延展

首先，简单介绍一下什么是时钟延展。时钟延展是指从机通过将SCL拉低以暂停数据传输的一个过程，在暂停过程中，从机可以有更多的时间处理接收到的数据，或者准备即将发送的数据。在相关的处理和准备完成之后，将交出SCL的控制权，主机继续控制SCL的节奏进行数据的收发。换句话说，时钟延展是从机跟不上主机的速度，让老司机等等它，啊不，是让主机等等它的操作。
时钟延展通常分为两种，一种是字节级(byte)的时钟延展，一种是比特级（bit）的时钟延展。字节级的时钟延展是按照字节为单位开展，每一个字节收发结束之后启动。比特级则是每个数据bit都进行延展，强行让master慢下来。
在查阅相关资料的过程中发现，并不是所有的I2C从机设备都支持时钟延展，例如I2C的传感器，部分存储设备；也并不是所有的主机设备也支持时钟延展，例如使用IO口模拟实现的I2C或者是FPGA上实现的I2C。因此在使用之前，需要检查器件自身是否支持时钟延展。

四种时钟延展功能

在我们i.MX RT1010上总共支持4种字节级的时钟延展：

下面我们将对这四种时钟延展的功能进行简要介绍，以下介绍均为从机视角。

延展功能1：收完地址等一等

在从机接收完主机发送的地址信息后，且AVF 置位，则此时从机获得SCL的控制权，开始持续拉低SCL开启时钟延展。那么什么时候结束呢，从硬件状态机的角度看，当AVF bit被清除，时钟延展结束，主机获得SCL的控制权。
举个例子，用我们SDK工程在接收到地址信息后强行延时500us再去清除AVF bit, 看看波形是怎样的：

从图中可以看到，两次时钟间隔约491us,基本上与500us的预期相匹配。并不是完美的500us的原因是，延时函数没有使用定时器精确延时。

延展功能2：发送之前等一等

在从机接收到主机的地址信息和读指令后，TDF将会置位，则此时从机获得SCL的控制权。同样是在清除TDF bit之后，主机再次获得SCL的控制权。在这个过程中，从机可以根据主机发送的信息，把要发送的数据准备好，再释放SCL的控制权。同样举个例子，再清除TDF bit 之前等一等，这次等的长一点800us。

延展功能3：接收之前等一等

在从机接收到数据之后，RDF会置位，此时从机会获得SCL的控制权。同样是在清除TDF bit之后，主机再次获得SCL的控制权。拉个波形看看，在清标志位前拉个1000us的延时，波形如下图所示。

延展功能4：手动回ACK

这里是指，当主机把数据（地址信息或者数据信息）发送给从机后，在传送完第八个bit（或者说是第八个时钟）之后，从机即获得了SCL的控制权限，在此时需要手动向STAR寄存器中最后一位写0或者1，以向主机反馈ACK 或者NACK。在写0之前，我们增加一个500us的延时，地址信息的波形见下图，可以看到第八个和第九个CLK时钟的间隔被拉长。

从机接收数据的信息见下图，同样可以看到，第八个和第九个的时钟被拉长了。

时钟延展的时序要求

在使用时钟延展的功能后，同样不能忽略的一个要点是要满足I2C的AC timing，即数据的建立时间和保持时间。对于不同的工作速度，I2C对于这两个参数的时间要求也是不同的，下图为I2C的规范上的截图。

对于i.MX RT1010来说，我们在开启时钟延展功能后需要对下面的两个参数进行设置，以满足I2C的timing要求。
CLKHOLD: I2C的数据的建立时间，需要根据不同的通讯速度进行设置
DATAVD: I2C的数据保持时间，通常来看保持为0即可。

如果不能正确设置CLKHOLD的时间会怎样呢？

造成时序混乱，当SCL的驱动能力较强，且SDA的负载较重的时候，甚至会引起SCL上升的比SDA速度快，那么想一下I2C的停止条件，当SCL处于高电平时，SDA拉高。那么就会让总线停止传输，除此以外，可能还会有其他的未知问题发生。

其次，关于CLKHOLD时间的计算，目前的驱动程序是有些小问题的。因此建议徒手撸寄存器，自己把想要的数值填写到CLKHOLD寄存器内。对于具体的时间，计算公式如下：
t =(CLKHOLD + 3) * Tclk
这里的Tclk是指I2C的functional clock的周期。因此，真正的建立时间，是CLKHOLD的数值和I2C 的输入时钟频率共同作用的结果。

哦对了，如何使能时钟延展功能？
如果你喜欢寄存器操作，那么可以在SCFGR1寄存器中的bit[3:0]直接开启对应的功能：

如果你习惯SDK操作，那么在这个结构体里把对应的功能写true吧：

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