GPIO的输出模式——开漏输出&推挽输出

GPIO的输出模式有四种，看到一篇文章，其中‘开漏输出’和‘推挽输出’的形象理解如下：

• 推挽电路
  对于三极管而言，中间的基极相当于控制端。它是一个电流控制型元器件，意思就是说，只要基极B有输入（或输出）电流就可以对这个晶体管进行控制了。
  下图为NPN型三极管：
  那PNP型三极管正好相反，当有电流从控制端（基极）流出时，就会有电流从输入端流到输出端。
  那么推挽电路：
  
  经过上面的N型三极管提供电流给负载（Rload），这就叫「推」。
  
  将三极管替换为场效应管：
  
  场效应管是电压控制型元器件，只要对栅极施加电压，DS就会导通。
• 开漏电路
  漏极那一端开路，直接作为输出端口。
  仍然用三极管举例，开漏电路带一个负载LED，外接一个上拉电阻。
  
  当Vin没有电流，Q5断开时，LED亮。
  当Vin流入电流，Q5导通时，LED灭。
• 用开关代替晶体管或MOS管，等效电路如下：
  

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下文参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/655515457

I2C通信时要求引脚配置为开漏输出模式，可能的原因如下：

1. 防止短路：开漏输出模式允许多个设备同时连接到总线上而不会造成短路。因为开漏输出在高阻态时不提供电压，所以当多个设备尝试驱动总线到不同的电平时，只有接地（低电平）的设备会起作用，而试图输出高电平的设备由于是高阻态，不会对总线造成影响。
2. 实现“线与”功能：I2C协议中的数据总线（SDA）和时钟总线（SCL）都需要实现“线与”功能，即多个设备可以共享同一条总线。开漏输出模式下，所有设备的输出都通过上拉电阻连接到电源，当没有设备拉低电平时，总线保持高电平；当有设备需要拉低电平时，总线随之变为低电平。这样的设计简化了总线的仲裁机制，使得多个主设备可以高效地共享总线资源。
3. 兼容性：开漏输出模式可以通过外部上拉电阻来适配不同的电压水平，这使得I2C设备在不同的电源电压下能够正常工作。例如，如果外设的电压低于单片机的电压，使用开漏输出可以通过调整上拉电阻的值来确保信号的正确传输。
4. 节省功耗：开漏输出模式在不输出高电平时呈现高阻态，这意味着在没有数据传输时，总线不会消耗额外的电流，有助于降低系统的功耗。
5. 灵活性：开漏输出模式提供了更大的灵活性，因为它允许外部电路通过上拉电阻来定义输出高电平时的电平值。这对于设计具有不同电源要求的系统非常有用。

总之，开漏输出模式在I2C通信中的应用是为了确保通信的可靠性、灵活性和低功耗特性，同时也是为了满足I2C协议对于总线共享和多主设备通信的要求。

UART通信时要求引脚配置为复用推挽模式的原因可能有以下几点：

1. 提高驱动能力：推挽输出模式可以提供较强的输出驱动能力，这对于长距离传输或者信号质量不佳的环境下尤为重要。它能够确保信号的稳定性，减少由于信号衰减导致的通信错误。
2. 增强信号完整性：复用推挽模式下，输出信号具有更好的信号完整性，因为它可以提供明确的高电平和低电平状态，这有助于接收端更准确地识别逻辑水平。
3. 兼容性：复用推挽模式使得UART通信更加灵活，可以适应不同的硬件设计需求。例如，某些外部设备可能需要一个明确的高电平信号来确保可靠的通信。
4. 简化电路设计：在一些设计中，使用复用推挽输出可以减少外部元件的使用，如上拉电阻，这样可以简化电路板的设计，降低成本，并可能提高系统的可靠性。
5. 适应不同的通信场景：尽管Rx引脚通常配置为浮空输入以允许外部设备驱动信号，但在某些特定的应用场景下，Tx引脚可能需要配置为上拉状态，以确保在没有数据传输时总线不会被悬空在不确定的状态。

此外，在一些情况下，为了避免信号反射或者确保信号在总线上的稳定性，可能会在Rx引脚上加上拉电阻。这个上拉电阻的值通常取决于具体的通信环境和总线的电气特性。

总的来说，UART通信时引脚配置为复用推挽模式是为了确保信号的稳定传输、提高系统的兼容性和简化电路设计等。