I2C 总线为什么要接上拉电阻？

I2C由一条时钟线和一条数据线组成，我们先看两张图。


I2C的波形

I2C协议基本形式
I2C的输入输出结构采用的是开漏的结构 。 开漏结构 不能够自主得到高电平，所以需要通过外部上拉电阻 来的实现 I2C 通信过程中的高电平。上拉电阻 的大小取决于 I2C 不同模式时的灌电流大小。这种结构作为逻辑输出时候，必须要有外部上拉，一般是通过电阻加到VCC电源，平时保持高电平，当输入低电平时也可被拉低，也就是说此时的开漏输出的可以作为外部的输入I/O口。
因为多个设备共用一条I2C总线，如果 I2C 使用的是推挽输出，假设在某个时间，A设备和B设备刚好在不同的电平输出，则会引起短路。


下图是I2C 获得高低电平的情景。


如果我们不接上拉电阻，设备的I2C SCL SDA引脚是浮空状态，浮空的意思是没有确定的电平，可能是高，也可能是低。而根据I2C的协议，在总线空闲期间，SDA和SCL都是高电平，当SDA出现下降沿时信号传输开始，如果没有确定的电平，一旦有外部的干扰，则可能会误启动I2C。
上拉电阻取值
上面我们已经说到，由于I2C开漏输出需要输出高电平我们就需要加上拉电阻。那上拉电阻该如何取值呢？通常情况下我们使用4.7kΩ，就能适用于大多数应用场景。如果需要更精确的电阻值，我们可以使用以下公式：
Rmin = (Vcc - Vol) / Iol
Rmax=Tr / (0.8473 * Cb)
R 是所需的上拉电阻值（Ω）；
Vcc 是供电电压（伏特，V）；
Vol 是I2C总线上的输出电平电压（通常是0.4V）；
Iol 是I2C总线上的输出电流（通常是3mA）；
Tr是上升沿时间，Cb是总线电容，0.8473是标准上升沿时间；
通过上面这个公式可以计算出合适的取值。由上可知，供电电压决定上拉电阻的最小值，总线负载电容决定上拉电阻的最大值。
常见的上拉电阻阻值有1k、1.5k、2.2k、4.7k、5.1k、10k等。