i2c为什么会有TR和TF上升沿和下降沿时间最小时间限制？

I2C 协议，作为一种广泛应用于嵌入式系统中的串行通信总线，之所以对 SCL（时钟线）和 SDA（数据线）的上升沿（TR）和下降沿（TF）时间设定了最小限制，是为了确保整个通信系统的稳定、可靠以及数据传输的准确性。这背后涉及到硬件设计、信号完整性和时序匹配等多个层面，绝非随意设定。

核心原因：确保数据的正确采样和时钟的有效识别

I2C 通信的核心在于时钟同步。SCL 线扮演着“心脏”的角色，它的每一个上升沿和下降沿都标志着一个时钟周期，而 SDA 线上的数据则在特定的时钟边沿进行传输和采样。如果这些边沿切换得太快，会带来以下几个关键问题：

1. 接收端无法正确采样数据： I2C 的数据传输是在 SCL 的下降沿（通常）开始，并在 SCL 的高电平期间保持稳定。接收设备（通常是从设备）需要在 SCL 的下一个上升沿（或有时是下一个下降沿，具体取决于协议定义）来采样 SDA 上的数据。如果 SDA 的上升沿或下降沿太快，设备内部的采样逻辑可能来不及稳定，或者采样到的是一个尚未完全建立的“过渡态”信号，从而导致数据错误。

更深入的理解： 任何半导体器件，尤其是 CMOS 器件，其输入端对信号的响应需要一定的时间。当信号从低电平变为高电平（上升沿）或从高电平变为低电平（下降沿）时，输入节点的电容需要被充电或放电。这个过程不是瞬时的，而是有一个充电/放电曲线。如果这个过程比 I2C 规范允许的最小上升/下降沿时间还要快，那么在需要采样的那个精确时刻，信号可能还处于一个模糊不清的状态，没有达到明确的逻辑高电平或低电平。

2. 时钟信号的识别困难： SCL 线不仅传递时钟脉冲，也通过其边沿的变化指示数据传输的阶段。接收端需要准确地识别 SCL 的高电平、低电平以及从一个状态到另一个状态的转换。如果下降沿和上升沿都非常陡峭，可能会导致：
时钟抖动（Jitter）： 尽管 I2C 并非严格意义上的实时系统，但过于快的边沿会增加信号在高电平或低电平区间以外的时间，造成时钟的有效周期缩短，影响接收端的时序判断。
同步失败： 在更复杂的情况下，如果通信链路存在容性负载或干扰，过快的边沿更容易引起信号振铃（Ringing）或反射，这些都会干扰接收端对时钟信号准确的识别。

硬件实现的考量

I2C 的上升沿和下降沿的最小时间限制，也与实际的硬件设计紧密相关：

1. 总线驱动能力与容性负载： I2C 总线通常是开漏（OpenDrain）或集电极开路（OpenCollector）输出。这意味着 SCL 和 SDA 线在变为低电平时，由驱动器件直接拉低到地。而在变为高电平时，它们依赖于外部上拉电阻（Pullup Resistors）将信号拉高。

上升沿： 上升沿的时间主要由上拉电阻的阻值（Rpu）和总线上的所有容性负载（Cb，包括传输线电容、驱动器输出电容、接收器输入电容等）共同决定。遵循 RC 充放电的时间常数 τ = R C，上升沿时间（通常定义为从 10% 到 90% 的幅度）大致与 τ 成正比。如果上拉电阻太小，或者总线容性负载太大，上升沿自然就会变慢。反之，如果上拉电阻过小，会增加功耗，而总线容性负载过大则需要强力的驱动或非常小的上拉电阻才能实现快速上升。

下降沿： 下降沿的时间主要由驱动器的输出电流能力（I_sink）和总线容性负载（Cb）决定。驱动器通过消耗电流将总线拉低。强驱动能力的器件可以提供更大的电流，更快地将容性负载放电，从而缩短下降沿时间。

2. 上拉电阻的选择与平衡： I2C 协议并没有强制规定上拉电阻的具体数值，但建议值通常在 1kΩ 到 10kΩ 之间，具体取决于总线速度和总线长度。

小阻值上拉电阻： 可以提供更快的上升沿，但会增加总线上的功耗，并且在高速通信时，如果驱动器的下拉能力不足，可能会导致信号无法有效拉低，或者下拉时间过长。
大阻值上拉电阻： 可以降低功耗，但会延长上升沿时间。

最小上升/下降沿时间限制，实际上是在指导设计者，在上拉电阻和驱动器能力之间找到一个平衡点，确保总线在规定的速度下，能够满足信号的建立时间要求。

I2C 协议的具体要求

为了量化这些要求，I2C 协议（例如 Philips/NXP 的规范）定义了不同速度模式（Standardmode, Fastmode, Fastmode Plus, Highspeed mode）下的时序参数。其中就包括了 SCL 和 SDA 的上升和下降沿时间。

Standardmode (100 kbit/s): 要求上升/下降沿时间 T_r / T_f 必须小于 1000 ns (1 µs)。
Fastmode (400 kbit/s): 要求上升/下降沿时间 T_r / T_f 必须小于 300 ns。

为什么不希望上升/下降沿“太快”？

你可能会疑惑，为什么不越快越好？实际上，在物理层和电气特性上，让信号边沿“太快”（即上升/下降时间小于极小值）并非易事，并且可能带来新的问题：

1. 瞬态电流过大： 当 CMOS 器件的输入发生快速开关时，当输入电压介于高低电平之间时，NMOS 和 PMOS 管可能会同时导通，形成一个短暂的“直通电流”，这个电流会流向地。如果这种现象发生在所有连接到总线的设备上，总的瞬态电流可能会非常大，瞬间对电源和地线造成压力，甚至可能导致其他敏感电路受到干扰。

2. 电磁干扰 (EMI)： 快速变化的信号边沿是电磁辐射的主要来源。边沿越陡峭，其包含的谐波成分就越多，越容易产生电磁干扰，影响其他电子设备的正常工作。因此，在某些对 EMI 有严格要求的应用中，故意对信号边沿进行一定的“软化”（即增加上升/下降时间）是常见的做法。

3. 串扰（Crosstalk）： 如果 SDA 和 SCL 线靠得很近，快速变化的信号边沿会在邻近的导线上感应出电压，产生串扰。这种串扰会影响被耦合信号的完整性。上升/下降时间过快会加剧串扰效应。

总结：

I2C 协议对 SCL 和 SDA 的上升沿和下降沿时间设置最小限制，是为了确保接收端能够准确、稳定地采样数据，并且能够可靠地识别时钟信号的每一个周期。这个限制是基于：

半导体器件的响应速度和内部特性。
I2C 总线上的容性负载和上拉电阻的 RC 特性。
物理连接的电气特性，以避免信号完整性问题（如振铃、反射）。
同时，也一定程度上是为了控制瞬态电流和减少电磁干扰。

通过设定这些最小时间限制，I2C 协议在可靠性、速度和硬件实现复杂度之间取得了良好的平衡，使得它能够在各种嵌入式应用中得到广泛而成功的应用。设计者在选择上拉电阻、驱动能力以及总线布局时，都需要遵循这些时序要求，以确保通信的成功。

题主想深入了解的话，这是一个信号完整性（SI）领域的问题。

如果只是简单理解的话，大概来说就是这样：

根据《信号与系统》的基本知识，一个方波可以分解为一个基频sin和若干奇数次高频谐波sin的叠加。

越“方”的波形（也就是tr/tf越小的波形），其携带的高次谐波信号能量越大；相对应的，为保证信号的无失真传输，需要高频特性更好的信道，即对PCB材质，走线的要求也越高。

所以，一般来讲，信号的tr/tf是和所传数字信号的一个码元symbol时间（1UI）成正比的。

随便举个例子，例如1Mbps的数字信号，一个symbol的时间长度是1us，那么tr=tf=0.1UI=100ns通常是个不错的trade off。