【導(dǎo)讀】I2C信號(hào)需要上拉電阻的原因與其工作原理密切相關(guān)。I2C是一種開放漏極（open-drain）或開集電極（open-collector）的通信協(xié)議，這意味著驅(qū)動(dòng)器（主設(shè)備或從設(shè)備）只能將線拉低到低電平（邏輯0），但不能主動(dòng)將線拉高到高電平（邏輯1）。

I2C信號(hào)需要上拉電阻的原因與其工作原理密切相關(guān)。I2C是一種開放漏極（open-drain）或開集電極（open-collector）的通信協(xié)議，這意味著驅(qū)動(dòng)器（主設(shè)備或從設(shè)備）只能將線拉低到低電平（邏輯0），但不能主動(dòng)將線拉高到高電平（邏輯1）。

在I2C通信中，SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）在空閑狀態(tài)下都應(yīng)處于高電平。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要在總線的SDA和SCL線上添加上拉電阻。當(dāng)總線上的所有驅(qū)動(dòng)器都處于不工作狀態(tài)（高阻態(tài)）時(shí)，這些上拉電阻會(huì)將信號(hào)線拉升至電源電壓，確保線路保持高電平。

當(dāng)需要發(fā)送低電平信號(hào)時(shí)，設(shè)備會(huì)通過將信號(hào)線連接到地，從而克服上拉電阻，使信號(hào)線達(dá)到低電平。當(dāng)設(shè)備不再驅(qū)動(dòng)線時(shí)，信號(hào)線會(huì)再次被上拉電阻拉回到高電平。

具體而言，上拉電阻的作用包括以下幾個(gè)方面：

1. 確保信號(hào)線在空閑時(shí)保持高電平：I2C總線在空閑時(shí)要求信號(hào)線為高電平狀態(tài)，上拉電阻實(shí)現(xiàn)了這一功能。

2. 防止浮空狀態(tài)：沒有上拉電阻時(shí)，SDA和SCL線在設(shè)備不驅(qū)動(dòng)時(shí)可能處于不確定的狀態(tài)，上拉電阻可以防止這種浮空狀態(tài)，確保信號(hào)線有明確的電平。

3. 適應(yīng)多設(shè)備通信：I2C總線允許多個(gè)設(shè)備連接在同一條總線上，任何一個(gè)設(shè)備都可以驅(qū)動(dòng)總線。上拉電阻使得每個(gè)設(shè)備都可以在不工作時(shí)保持總線的高電平，確保通信的可靠性。

因此，上拉電阻是I2C總線正常工作和通信穩(wěn)定性的重要組成部分。

一些總線有輸出輸出接口，本質(zhì)就是OC或OD的接口。I2C（Inter Integrated Circuit，內(nèi)部集成電路）總線就是典型的OD輸出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，典型的I2C電路都有上拉電阻，如圖所示。

I2C接口的SCL與SDA都是OD輸出結(jié)構(gòu)輸出，這樣的好處是可以作為雙向數(shù)據(jù)總線。OC、OD電路往往是剛剛說的輸入輸出管腳，然而一些總線的I/O就是一些雙向數(shù)據(jù)的信號(hào)，其實(shí)就是把輸入和輸出短接在一起，然后把輸出做成OC或OD。這樣處理不單用一根信號(hào)實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)，既可以輸出又可以輸入，同時(shí)解決了雙向數(shù)據(jù)如果同時(shí)發(fā)送帶來的數(shù)據(jù)沖突的問題。

一般來說，芯片的輸出管腳是推挽結(jié)構(gòu)。如果兩個(gè)芯片的推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳連接在一起，某一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)芯片同為輸出，一個(gè)如果輸出為高、一個(gè)輸出為低，則可能出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，工作中稱為“總線沖突”，如圖所示。用OC、OD電路可以避免短路，所有絕大多數(shù)總線都是采用這種方式設(shè)計(jì)，如I2C、LPC、PCI等總線的輸入輸出管腳都是這樣的管腳類型。當(dāng)然也有些總線方式，I/O端口不需要外接，是芯片內(nèi)置了上拉電阻。

對(duì)于I2C總線，總線上有兩個(gè)芯片或多個(gè)芯片，所有芯片的引腳輸出什么狀態(tài)，都不會(huì)出現(xiàn)短路的情況引起數(shù)據(jù)沖突，配合各自芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)識(shí)別電路及仲裁系統(tǒng)，雙方都可以主動(dòng)給另一方發(fā)送信息。也就是說，任何一方都可以將拉低，不拉低時(shí)就是釋放總線，總線上為高電平，而不會(huì)影響起數(shù)據(jù)沖突。

I2C被設(shè)計(jì)成開放漏極（Open-Drain, OD）或開集電極（Open-Collector, OC）結(jié)構(gòu)的原因主要與總線的多主機(jī)、多從機(jī)通信架構(gòu)和信號(hào)線的共用特點(diǎn)有關(guān)。具體原因包括：

1. 支持多設(shè)備共用總線

I2C總線可以連接多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備，這就要求多個(gè)設(shè)備可以共享同一條SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時(shí)鐘線）。如果信號(hào)線是由設(shè)備主動(dòng)驅(qū)動(dòng)到高電平或低電平（推挽結(jié)構(gòu)），則當(dāng)一個(gè)設(shè)備試圖驅(qū)動(dòng)信號(hào)線為高電平而另一個(gè)設(shè)備試圖驅(qū)動(dòng)信號(hào)線為低電平時(shí)，會(huì)發(fā)生電平?jīng)_突，可能會(huì)導(dǎo)致短路或其他問題。

開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)允許多個(gè)設(shè)備將線拉低，而不會(huì)引起沖突。當(dāng)所有設(shè)備都不工作時(shí)（即處于高阻態(tài)），上拉電阻會(huì)將信號(hào)線拉回到高電平。這樣，多個(gè)設(shè)備可以安全地共用同一條I2C總線，而不會(huì)發(fā)生沖突。

2. 簡(jiǎn)化多主機(jī)仲裁

I2C協(xié)議允許多個(gè)主設(shè)備共用同一總線。在多主設(shè)備嘗試同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的情況下，需要進(jìn)行仲裁。開放漏極/開集電極結(jié)構(gòu)使得這種仲裁變得簡(jiǎn)單可行。

• 仲裁過程是通過監(jiān)視SDA線來完成的：每個(gè)主設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都監(jiān)視SDA線。如果一個(gè)主設(shè)備試圖發(fā)送高電平，但監(jiān)視到的是低電平（因?yàn)榱硪粋€(gè)設(shè)備在拉低SDA線），它就知道有另一個(gè)設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)，因此它將停止傳輸。這個(gè)過程使得仲裁成為可能，而不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)沖突。

3. 簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)

使用開放漏極或開集電極的驅(qū)動(dòng)方式可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。因?yàn)樵O(shè)備只需要一個(gè)下拉開關(guān)來控制信號(hào)線的電平（拉低到地），而不需要額外的電路來推動(dòng)信號(hào)線到高電平。這樣，電路更加簡(jiǎn)單，也減少了功耗。

4. 適應(yīng)不同電壓的設(shè)備

I2C總線的開放漏極/開集電極結(jié)構(gòu)允許不同電壓的設(shè)備共用一條總線。例如，一個(gè)3.3V的設(shè)備和一個(gè)5V的設(shè)備可以通過上拉電阻連接到同一個(gè)I2C總線，并且上拉電阻可以選擇一個(gè)中間電壓（如3.3V或5V）來適應(yīng)不同電壓的設(shè)備。

總的來說，I2C采用開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)多設(shè)備安全共用總線、支持多主設(shè)備仲裁、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)以及兼容不同電壓的設(shè)備。這些特性使得I2C在簡(jiǎn)單的雙線通信協(xié)議中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

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