【導讀】I2C信號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），但不能主動將線拉高到高電平（邏輯1）。
I2C信號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（時鐘線）在空閑狀態(tài)下都應處于高電平。為了實現(xiàn)這一點，需要在總線的SDA和SCL線上添加上拉電阻。當總線上的所有驅(qū)動器都處于不工作狀態(tài)（高阻態(tài)）時，這些上拉電阻會將信號線拉升至電源電壓，確保線路保持高電平。
當需要發(fā)送低電平信號時，設(shè)備會通過將信號線連接到地，從而克服上拉電阻，使信號線達到低電平。當設(shè)備不再驅(qū)動線時，信號線會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方面：
確保信號線在空閑時保持高電平：I2C總線在空閑時要求信號線為高電平狀態(tài)，上拉電阻實現(xiàn)了這一功能。
防止浮空狀態(tài)：沒有上拉電阻時，SDA和SCL線在設(shè)備不驅(qū)動時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)，確保信號線有明確的電平。
適應多設(shè)備通信：I2C總線允許多個設(shè)備連接在同一條總線上，任何一個設(shè)備都可以驅(qū)動總線。上拉電阻使得每個設(shè)備都可以在不工作時保持總線的高電平，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，其實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實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)，既可以輸出又可以輸入，同時解決了雙向數(shù)據(jù)如果同時發(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)。如果兩個芯片的推挽結(jié)構(gòu)輸出管腳連接在一起，某一個時刻兩個芯片同為輸出，一個如果輸出為高、一個輸出為低，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，如I2C、LPC、PCI等總線的輸入輸出管腳都是這樣的管腳類型。當然也有些總線方式，I/O端口不需要外接，是芯片內(nèi)置了上拉電阻。
I2C被設(shè)計成開放漏極（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、多從機通信架構(gòu)和信號線的共用特點有關(guān)。具體原因包括：
1. 支持多設(shè)備共用總線
I2C總線可以連接多個主設(shè)備和從設(shè)備，這就要求多個設(shè)備可以共享同一條SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時鐘線）。如果信號線是由設(shè)備主動驅(qū)動到高電平或低電平（推挽結(jié)構(gòu)），則當一個設(shè)備試圖驅(qū)動信號線為高電平而另一個設(shè)備試圖驅(qū)動信號線為低電平時，會發(fā)生電平?jīng)_突，可能會導致短路或其他問題。
開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)允許多個設(shè)備將線拉低，而不會引起沖突。當所有設(shè)備都不工作時（即處于高阻態(tài)），上拉電阻會將信號線拉回到高電平。這樣，多個設(shè)備可以安全地共用同一條I2C總線，而不會發(fā)生沖突。
2. 簡化多主機仲裁
I2C協(xié)議允許多個主設(shè)備共用同一總線。在多主設(shè)備嘗試同時傳輸數(shù)據(jù)的情況下，需要進行仲裁。開放漏極/開集電極結(jié)構(gòu)使得這種仲裁變得簡單可行。
仲裁過程是通過監(jiān)視SDA線來完成的：每個主設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時都監(jiān)視SDA線。如果一個主設(shè)備試圖發(fā)送高電平，但監(jiān)視到的是低電平（因為另一個設(shè)備在拉低SDA線），它就知道有另一個設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)，因此它將停止傳輸。這個過程使得仲裁成為可能，而不會導致信號沖突。
3. 簡化電路設(shè)計
使用開放漏極或開集電極的驅(qū)動方式可以簡化電路設(shè)計。因為設(shè)備只需要一個下拉開關(guān)來控制信號線的電平（拉低到地），而不需要額外的電路來推動信號線到高電平。這樣，電路更加簡單，也減少了功耗。
4. 適應不同電壓的設(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3.3V的設(shè)備和一個5V的設(shè)備可以通過上拉電阻連接到同一個I2C總線，并且上拉電阻可以選擇一個中間電壓（如3.3V或5V）來適應不同電壓的設(shè)備。
總的來說，I2C采用開放漏極或開集電極結(jié)構(gòu)是為了實現(xiàn)多設(shè)備安全共用總線、支持多主設(shè)備仲裁、簡化電路設(shè)計以及兼容不同電壓的設(shè)備。這些特性使得I2C在簡單的雙線通信協(xié)議中具有很大的優(yōu)勢。
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