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open-drain與push-pull

GPIO的功能，簡單說就是可以根據自己的需要去配置為輸入或輸出。但是在配置GPIO管腳的時候，常會見到兩種模式：開漏（open-drain，漏極開路）和推挽（push-pull）。

對此兩種模式，有何區別和聯系，下面整理了一些資料，來詳細解釋一下：

圖表 1 Push-Pull對比Open-Drain

	Push-Pull推挽輸出	Open-Drain開漏輸出
原理	輸出的器件是指輸出腳內部集成有一對互補的MOSFET，當Q1導通、Q2截止時輸出高電平；而當Q1截止導通、Q2導通時輸出低電平	開漏電路就是指以MOSFET的漏極為輸出的電路。指內部輸出和地之間有個N溝道的MOSFET（Q1），這些器件可以用於電平轉換的應用。輸出電壓由Vcc'決定。Vcc'可以大於輸入高電平電壓VCC（up－translate）也可以低於輸入高電平電壓VCC（down－translate）。
某老外的更加透徹的解釋	Push-pull輸出，實際上內部是用了兩個晶體管（transistor），此處分別稱為top transistor和bottom transistor。通過開關對應的晶體管，輸出對應的電平。top transistor打開（bottom transistor關閉），輸出為高電平；bottom transistor打開（top transistor關閉），輸出低電平。Push-pull即能夠漏電流（sink current），又可以集電流（source current）。其也許有，也許沒有另外一個狀態：高阻抗（high impedance）狀態。除非Push-pull需要支持額外的高阻抗狀態，否則不需要額外的上拉電阻。	Open-drain輸出，則是比push-pull少了個top transistor，只有那個bottom transistor。（就像push-pull中的那樣）當bottom transistor關閉，則輸出為高電平。此處沒法輸出高電平，想要輸出高電平，必須外部再接一個上拉電阻（pull-up resistor）。Open-drain只能夠漏電流（sink current），如果想要集電流（source current），則需要加一個上拉電阻。
	常見的GPIO的模式可以配置為open-drain或push-pull，具體實現上，常為通過配置對應的寄存器的某些位來配置為open-drain或是push-pull。當我們通過CPU去設置那些GPIO的配置寄存器的某位（bit）的時候，其GPIO硬件IC內部的實現是，會去打開或關閉對應的top transistor。相應地，如果設置為了open-d模式的話，是需要上拉電阻才能實現，也能夠輸出高電平的。因此，如果硬件內部（internal）本身包含了對應的上拉電阻的話，此時會去關閉或打開對應的上拉電阻。如果GPIO硬件IC內部沒有對應的上拉電阻的話，那么你的硬件電路中，必須自己提供對應的外部（external）的上拉電阻。而push-pull輸出的優勢是速度快，因為線路（line）是以兩種方式驅動的。而帶了上拉電阻的線路，即使以最快的速度去提升電壓，最快也要一個常量的R×C的時間。其中R是電阻，C是寄生電容（parasitic capacitance），包括了pin腳的電容和板子的電容。但是，push-pull相對的缺點是往往需要消耗更多的電流，即功耗相對大。而open-drain所消耗的電流相對較小，由電阻R所限制，而R不能太小，因為當輸出為低電平的時候，需要sink更低的transistor，這意味着更高的功耗。（此段原文：because the lower transistor has to sink that current when the output is low; that means higher power consumption.）而open-drain的好處之一是，允許你cshort（？）多個open-drain的電路，公用一個上拉電阻，此種做法稱為wired-OR連接，此時可以通過拉低任何一個IO的pin腳使得輸出為低電平。為了輸出高電平，則所有的都輸出高電平。此種邏輯，就是“線與”的功能，可以不需要額外的門（gate）電路來實現此部分邏輯。
原理圖	圖表 2 push-pull原理圖	圖表 3 open-drain原理圖   圖表 4 open-drain“線與”功能
優點	（1）可以吸電流，也可以貫電流；（2）和開漏輸出相比，push－pull的高低電平由IC的電源低定，不能簡單的做邏輯操作等。	（1） 對於各種電壓節點間的電平轉換非常有用，可以用於各種電壓節點的Up-translate和down－translate轉換 （2）可以將多個開漏輸出的Pin腳，連接到一條線上，形成“與邏輯”關系,即“線與”功能，任意一個變低后，開漏線上的邏輯就為0了。這也是I2C，SMBus等總線判斷總線占用狀態的原理。（3）利用 外部電路的驅動能力，減少IC內部的驅動。當IC內部MOSFET導通時，驅動電流是從外部的VCC流經R pull-up ，MOSFET到GND。IC內部僅需很下的柵極驅動電流。（4）可以利用改變上拉電源的電壓，改變傳輸電平：圖表 5 open-drain輸出電平的原理 IC的邏輯電平由電源Vcc1決定，而輸出高電平則由Vcc2決定。這樣我們就可以用低電平邏輯控制輸出高電平邏輯了。
缺點	一條總線上只能有一個push-pull輸出的器件；	開漏Pin不連接外部的上拉電阻，則只能輸出低電平。當輸出電平為低時，N溝道三極管是導通的，這樣在Vcc'和GND之間有一個持續的電流流過上拉電阻R和三極管Q1。這會影響整個系統的功耗。采用較大值的上拉電阻可以減小電流。但是，但是大的阻值會使輸出信號的上升時間變慢。即上拉電阻R pull-up的阻值 決定了邏輯電平轉換的沿的速度 。阻值越大，速度越低功耗越小。反之亦然。
特點	在CMOS電路里面應該叫CMOS輸出更合適，因為在CMOS里面的push－pull輸出能力不可能做得雙極那么大。輸出能力看IC內部輸出極N管P管的面積。push－pull是現在CMOS電路里面用得最多的輸出級設計方式。

【open-drain和push-pull的總結】
對於GPIO的模式的設置，在不考慮是否需要額外的上拉電阻的情況下，是設置為open-drain還是push-pull，說到底，還是個權衡的問題：
如果你想要電平轉換速度快的話，那么就選push-pull，但是缺點是功耗相對會大些。
如果你想要功耗低，且同時具有“線與”的功能，那么就用open-drain的模式。（同時注意GPIO硬件模塊內部是否有上拉電阻，如果沒有，需要硬件電路上添加額外的上拉電阻）
正所謂，轉換速度與功耗，是魚與熊掌，二則不可兼得焉。