I2C中为什么线与？为什么要有上拉电阻？

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为什么采用漏极开路？
为什么要加上拉电阻？
为什么要线与？
总结全文

系列文章：《I2C总线(1)–数据传输格式与7位地址读写》；《I2C总线(2)–10位地址读写》；《I2C总线(3)–时钟同步和仲裁》；《I2C总线(4)–高速模式》; 《I2C总线(6)–START BYTE》

为什么采用漏极开路？

首先，连接到 I2C 上的设备是开漏输出的。以漏极开漏输出（OD）为例，是指将输出级电路结构改为一个漏极开路输出的 MOS 管。这样做的好处在于：

防止短路。
可以实现“线与”逻辑，可以减少一个与门的使用，简化电路。

结论：I2C支持多个主设备与多个从设备连接在同一根总线上，如果不开漏输出，会出现短路现象。

为什么要加上拉电阻？

但是，采用开漏输出时，如果没有上拉电阻的存在，只能输出低电位，无法输出高点位。

结论：连接上拉电阻后，才可以输出高电位。

在验证 I2C 接口时，我们同样要对上拉电阻做处理。如下：以从端驱动 SDA 和 SCL 为例

从端对SDA/SCL线的驱动：

assign SCL = scl_slave === 0 ? 1'b0 : 1'bz ;
assign SDA = sda_slave === 0 ? 1'b0 : 1'bz ;

也就是说：

当从端驱动 SDA/SCL 为低（0）时，从端会直接给 SDA/SCL 一个0值；
如果从端驱动 SDA/SCL 不为低（0）时，从端会给 SDA/SCL 一个高阻态值。

为什么是高阻态？而不是直接给高电位（1）呢？

因为高阻态是一个无效驱动，而高电位（1）是一个有效驱动，如果置为1会跟其他的驱动源造成多驱动冲突。为了避免多重驱动的问题，当 Slave 或者 Master 不打算驱动任何一根线时（SDA/SCL），那必须把 SDA/SCL 给一个高阻态（z）值。

经过上拉处理：

如果在整个总线上，master 和 slave 都没有给 SDA/SCL 一个有效驱动（即低电位），会通过上拉电阻将 SCL/SDA置为高电位（1）。

注意：这个给的高电位（1）是一个弱信号，可以防止形成多驱动源造成冲突。

assign (week0,week1) SCL = enable_pullup_registor ? 1: 0;
assign (week0,week1) SDA = enable_pullup_registor ? 1: 0;

举个例子：

I2C支持多主设备与多个从设备，下面 master1 给 slave1 发送一个从地址（0110 011），master2 给 slave2 发送一个从地址（0110 001），

解释上图中的例子：

当 master1 发送最后一个R/W位 = 0 时，此时，会直接将SDA线拉低，slave1 可以看到SDA线为低。
当 master2 发送最后一个R/W位 = 1 时，此时，master2 会给 SDA一个高阻值（Z），表明 master1 不对总线SDA做驱动，此时上拉电阻会将SDA信号线置为1（弱信号），slave2 看到的是SDA为高。

为什么要线与？

现在，我们已经知道了 I2C 为什么要漏极开路和添加上拉电阻的目的了，那么又为什么要线与？I2C 支持多个主设备与多个从设备连接在同一根总线上，如果多个设备同时占用总线，怎么判断谁先占用总线呢？所以就需要一种仲裁机制。I2C 没有 Arbiter 直接的来处理仲裁，而是通过线与的逻辑实现仲裁。

仲裁过程：当主设备A准备占用I2C时，需要在SCL为高时，将SDA拉高，再拉低，满足一个启动条件。当主设备A将SDA拉高后，需要检查SDA的电平：

如果此时SDA电平为高，说明主设备可以占用总线，然后主设备A会将SDA拉低，一次满足启动条件，开始传输；
如果此时SDA电平为低，说明总线已经被其他设备占用，主设备A会退出。

为什么SDA为低，就是被其他设备占用了呢？
因为线与逻辑的存在。只有总线上有其他的设备将SDA置为0，线与后，SDA线的电平为0。主设备A检查SDA线的电平时，会发现为低电平。所以仲裁时，哪个设备更早地将SDA线拉低，谁就抢占了优先权。

总结全文

漏极开路是为了防止I2C上连接多个主设备与多个从设备时出现短路；
上拉电阻的存在是为了在使用漏极开路之后，可以输出高电平；
“线与”是为了在多个主设备同时占用总线时，具有仲裁的能力。