I2C通訊為什么要用開漏輸出和上拉電阻？

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一、I2C總線簡介

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是一種雙向串行通信總線，由兩根線組成：SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）。這兩根線都是雙向的，并且是開漏輸出的，這意味著每個(gè)設(shè)備都可以將線拉低（Ground），但不能將線拉高（Vcc）。這種設(shè)計(jì)使得多個(gè)設(shè)備可以共享同一條總線，以進(jìn)行通信。




二、 I2C接口接外部上拉電阻的原因

I2C（Inter-Integrated Circuit）接口在使用時(shí)需要連接外部上拉電阻，主要原因包括以下幾點(diǎn)：
開漏（Open-drain）或開集電極（Open-collector）輸出：I2C總線上的設(shè)備如主設(shè)備和從設(shè)備使用開漏或開集電極的輸出方式來驅(qū)動(dòng)總線。這意味著，設(shè)備只能將線路拉低（接地），而不能直接將線路拉高至供電電壓。因此，需要外部上拉電阻來將線路拉高。多主設(shè)備配置：I2C允許多個(gè)主設(shè)備存在于同一總線上。為了防止輸出沖突（例如，一個(gè)設(shè)備嘗試將線路拉高，而另一個(gè)設(shè)備嘗試將線路拉低），I2C設(shè)計(jì)為只能通過外部上拉電阻來將信號(hào)線拉高，從而簡化了總線管理。邏輯狀態(tài)的穩(wěn)定和可靠性：外部上拉電阻確保在沒有設(shè)備主動(dòng)驅(qū)動(dòng)線路時(shí)，數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）能穩(wěn)定地保持在高電平狀態(tài)。這有助于提高信號(hào)的可靠性和減少誤讀。靈活的電壓級(jí)別：由于I2C設(shè)備可以支持不同的邏輯電平，使用外部上拉電阻可以方便地匹配總線電平到特定的系統(tǒng)電壓，例如3.3V或5V等，從而使得不同電壓等級(jí)的設(shè)備可以共存于同一總線。電氣特性的優(yōu)化：通過選擇合適的上拉電阻值，可以優(yōu)化總線的電氣特性，如上拉速率、功耗和噪聲容限。電阻值太低會(huì)增加功耗和可能導(dǎo)致總線驅(qū)動(dòng)器過載，而電阻值太高則可能導(dǎo)致信號(hào)上升時(shí)間過長，影響總線速率。所以綜上所述，外部上拉電阻在I2C通信中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，保證了通信的穩(wěn)定性和靈活性。在I2C通信中，使用推挽（push-pull）輸出并不是標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)檫@種輸出方式與I2C設(shè)計(jì)的開漏（open-drain）或開集電極（open-collector）輸出方式存在本質(zhì)上的差異。下面詳細(xì)解釋為什么通常不使用推挽輸出：總線沖突的風(fēng)險(xiǎn)：I2C總線設(shè)計(jì)為多主設(shè)備和多從設(shè)備可以共享同一總線。如果使用推挽輸出，當(dāng)一個(gè)設(shè)備試圖將總線拉高而另一個(gè)設(shè)備試圖將其拉低時(shí)，將會(huì)發(fā)生總線沖突，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。信號(hào)完整性問題：推挽輸出可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)高電平和低電平，這在總線空閑和活躍時(shí)都維持總線狀態(tài)。然而，這種方式缺乏開漏輸出的靈活性，例如在總線檢測和仲裁過程中動(dòng)態(tài)改變控制權(quán)，這是I2C協(xié)議重要的一部分。電平匹配和靈活性降低：使用推挽輸出意味著所有設(shè)備必須在相同的電壓級(jí)別上操作，這限制了不同電壓級(jí)別設(shè)備的互操作性。相比之下，開漏輸出允許通過外部上拉電阻選擇適當(dāng)?shù)碾妷杭?jí)別，以匹配不同設(shè)備的電壓要求。仲裁和時(shí)鐘同步問題：I2C支持總線仲裁和時(shí)鐘同步，這依賴于能夠檢測總線上的高電平和低電平狀態(tài)。如果總線使用推挽輸出，總線上的電平狀態(tài)將由最后一個(gè)發(fā)送信號(hào)的設(shè)備完全控制，從而使得仲裁和同步變得困難或不可能。因此，盡管理論上可以通過某些特定設(shè)計(jì)讓I2C總線上的設(shè)備使用推挽輸出，但這樣做通常需要額外的硬件支持和復(fù)雜的總線管理策略，且違背了I2C協(xié)議的基本設(shè)計(jì)原則。如果需要在I2C總線上實(shí)現(xiàn)類似推挽的功能，通常建議使用其他通信協(xié)議，如SPI或UART，這些協(xié)議本身就設(shè)計(jì)為支持推挽輸出。

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