2、I2C Architecture  I2C 采用的 GPIO 一般为开漏模式，支持线与功能，但是开漏模式无法输出高电平，所以需要外部上拉。Vdd 可以采用 5V、3.3V、1.8V 等，电源电压不同，上拉电阻阻值也不同。 一般总线上认为，低于0.3Vdd为低电平，高于0.7Vdd为高电平。 推挽结构和开漏结构推挽结构：使用两个三极管或 MOSFET，以推挽方式存在于电路中。电路工作时，两只对称的开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高。既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推拉式输出级既提高电路的负载能力，又提高开关速度。  图中上面是 NPN 型三极管，下面是 PNP 型三极管。分别有以下两种情况： 输出高电平：向负载灌电流。  输出低电平：从负载拉电流。  三极管和 MOS 管效果类似，不赘述。 开漏结构（OD）：对比推挽结构，开漏结构只有一个三极管或者MOS管。 之所以叫开漏，是因为MOS管分为三极：源极、栅极、漏极。漏极开路输出，所以叫开漏；如果是三极管：基极、集电极、发射极，集电极开路，所以叫开集输出（OC）。 开集输出（OC），NPN 三极管：  这个结构很好分析：Vin 高电平，三极管导通，对外输出低电平，外部被直接拉到低。Vin 低电平，集电极（C）开路，输出电平状态由外部决定。  以上分析均采用三极管，MOS管类似。 因此，推挽结构可以输出高低电平。开漏输出只能输出低电平，高电平由外部电路决定。 对比总结如下：  电平跳变速度，推挽输出由CPU控制，高低电平跳变速度快（0->1），开漏输出由外部上拉电阻决定，上拉电阻小，反应速度快，从低电平到高电平跳变速度就快，但电阻小电流就大，功耗就高，反之亦然。 所以开漏输出的外部上拉电阻要兼顾速度和功耗。上拉电阻小，信号边沿陡峭，信号好，但是功耗高。 电平转换：推挽输出输出的高低电平只有0和Vdd，开漏输出的高电平由外部上拉电阻决定，多少V都可以，只要不超过MOS管击穿电压。 线与功能线与：所有 GPIO 输出高就是高，只要有一个输出低，整条线上面的都是低，这就是“与”的意思。 推挽结构下，两个GPIO口连接到一根线上，假如左边的PMOS导通，右边的NMOS导通，Vdd就会通过两个MOS管直接接地，由于MOS管导通电阻不大，会导致电流很大，直接损坏这两个GPIO口，因此，推挽输出不支持线与。  推挽结构在这种情况下会损坏GPIO口。 开漏：假如很多GPIO是开漏结构，接到了一根线。开漏结构输出的高电平靠外部上拉，假如有一个GPIO接地，那么电流会通过上拉电阻流进GPIO口接地，因为有上拉电阻的存在，所以不会损坏GPIO口。  线与，是 I2C 协议的基础！线与：当总线上只要有一个设备输出低电平，整条总线便处于低电平状态，这时候总线被称为占用状态。  上拉电阻计算1、上拉电阻过小，电流大，端口低电平 level 增大。 2、上拉电阻过大，上升沿时间增大，方波可能会变成三角波。 因此计算出一个精确的上拉电阻阻值是非常重要的。计算上拉电阻的阻值，有明确计算公式： 最大电阻和上升沿时间 tr 、总线电容 Cb 、标准上升沿时间 0.8473 有关。 最小电阻和电源Vdd电压、GPIO口自己最大输出电压 Vol、 GPIO口自己最大电流 Vol 有关。
查《I2C-bus specification and user manual.pdf》7.1节： 查《I2C-bus specification and user manual.pdf》表10： 1、标准模式：0~100KHz，上升沿时间 tr = 1us 2、快速模式：100~400KHz，上升沿时间 tr = 0.3us 3、高速模式：up to 3.4MHz，上升沿时间 tr = 0.12us 由此公式，假设 Vdd 是 1.8V 供电，Cb总线电容是200pF（虽然协议规定负载电容最大400pF，实际上超过200pF波形就很不好，我们以200pF来计算） 标准模式 ： 快速模式： 高速模式： 最小电阻（Vdd越大，上拉电阻就要越大）： 注意，高速模式下，电源电压一般采用 1.8 V，不会采用 3.3V，因为如果用 3.3V 计算你会发现最小电阻比最大电阻大。 采用合适的电源电压和合适的上拉电阻，才会让你的 I2C 传输信号最优。上拉电阻选小了，会使得总线电流大，端口输出的低电平会变大（一般低电平不允许超过0.4V）。上拉电阻选大了（RC），上升时间增大，方波变三角波。 大家在不同速率采用的电阻一般有以下几种：1.5K、2.2K、4.7K。 上拉电阻关系图 |
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