【大學(xué)課件】微計(jì)算機(jī)與微處理器課件 單片機(jī)系統(tǒng)總線及擴(kuò)展

微計(jì)算機(jī)與微處理器系統(tǒng)總線及擴(kuò)展本節(jié)課將詳細(xì)介紹單片機(jī)系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)，并探討總線的擴(kuò)展方法。課程內(nèi)容簡介1微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述介紹微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)和功能，以及常用的微處理器和外設(shè)。2微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線深入探討微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總線的作用、分類和擴(kuò)展技術(shù)。3單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展實(shí)例結(jié)合實(shí)際案例，展示單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展的應(yīng)用場景和實(shí)現(xiàn)方法。1.微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主板主板是微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，它連接了所有主要組件，包括CPU、內(nèi)存、硬盤和外設(shè)。CPUCPU負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令，是微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“大腦”。內(nèi)存內(nèi)存用于存儲正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速度快，但容量有限。1.1微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成中央處理器(CPU)負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流、處理數(shù)據(jù)等。存儲器(Memory)用于存儲程序和數(shù)據(jù)，分為主存和輔存。輸入/輸出設(shè)備(I/O)負(fù)責(zé)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等。1.2微處理器的工作原理1指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言2數(shù)據(jù)運(yùn)算執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算3數(shù)據(jù)傳輸在內(nèi)存和外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)4控制操作協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的操作2.微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)傳輸通道連接微處理器、內(nèi)存、外設(shè)等部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。共享資源多個(gè)部件共享同一組線，提高系統(tǒng)效率和降低成本。標(biāo)準(zhǔn)化接口不同廠家生產(chǎn)的部件可以通過總線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。2.1什么是總線數(shù)據(jù)傳輸通道總線是一組并行連接的導(dǎo)線，用于在微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同部件之間傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。共享資源多個(gè)設(shè)備可以共享同一組總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的傳遞，提高系統(tǒng)資源利用率。同步通信總線上的數(shù)據(jù)傳輸通常采用同步方式，即所有設(shè)備使用同一個(gè)時(shí)鐘信號進(jìn)行同步。2.2總線的基本結(jié)構(gòu)總線通常由三部分組成：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線：用于傳輸數(shù)據(jù)地址，決定CPU要訪問哪個(gè)設(shè)備或內(nèi)存單元。數(shù)據(jù)總線：用于傳輸數(shù)據(jù)，包括CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸?？刂瓶偩€：用于控制數(shù)據(jù)傳輸方向、數(shù)據(jù)傳輸方式、時(shí)序等。2.3總線的分類1按總線的功能分類數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線2按總線所連接的部件分類內(nèi)部總線、外部總線、系統(tǒng)總線、擴(kuò)展總線3按總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型分類并行總線、串行總線、同步總線、異步總線4按總線結(jié)構(gòu)分類單總線、多總線、分層總線3.微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部總線地址總線用于指定CPU要訪問的內(nèi)存單元或外設(shè)的地址。數(shù)據(jù)總線用于傳輸CPU與內(nèi)存或外設(shè)之間的數(shù)據(jù)?？刂瓶偩€用于控制各種設(shè)備的工作方式和數(shù)據(jù)傳輸方向。3.1地址總線地址總線地址總線是微處理器用來指定內(nèi)存或外設(shè)的地址的信號線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線是微處理器用來傳輸數(shù)據(jù)的信號線控制總線控制總線是微處理器用來控制內(nèi)存或外設(shè)操作的信號線3.2數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，例如指令、數(shù)據(jù)和地址。雙向傳輸，CPU可以讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的寬度決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?.3控制總線控制信號控制總線由各種控制信號組成，這些信號用于協(xié)調(diào)CPU、內(nèi)存和外設(shè)之間的操作。同步控制控制信號指示CPU何時(shí)可以讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，以及何時(shí)可以進(jìn)行其他操作。操作控制控制總線上的信號可以控制內(nèi)存和外設(shè)的操作模式，例如讀寫模式或數(shù)據(jù)傳輸方向。4.微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外部總線連接微處理器和外部設(shè)備擴(kuò)展微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信4.1IIC總線簡介IIC總線是一種串行通信協(xié)議，它使用兩條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：SDA（串行數(shù)據(jù)線）和SCL（串行時(shí)鐘線）。特點(diǎn)IIC總線簡單易用，支持多設(shè)備連接，且無需外部時(shí)鐘源，廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)中。應(yīng)用IIC總線在單片機(jī)系統(tǒng)中用于擴(kuò)展各種外設(shè)，例如EEPROM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、傳感器等。4.2SPI總線串行外設(shè)接口SPI是串行外設(shè)接口，是一種同步串行通信協(xié)議，由摩托羅拉公司提出。特點(diǎn)全雙工通信，支持主從模式簡單易用，無需復(fù)雜的控制邏輯工作頻率高，數(shù)據(jù)傳輸速率快廣泛應(yīng)用于各種外設(shè)，如傳感器、存儲器等4.3CAN總線1高速通信CAN總線是一種高速串行通信協(xié)議，適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。2可靠性強(qiáng)CAN總線具有高可靠性，能夠在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。3廣泛應(yīng)用CAN總線應(yīng)用廣泛，例如汽車電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。5.總線擴(kuò)展技術(shù)地址解碼將多個(gè)設(shè)備分配到不同的地址空間，防止沖突。總線緩沖隔離多個(gè)設(shè)備對總線的負(fù)載，提高系統(tǒng)性能。總線仲裁多個(gè)設(shè)備共享總線時(shí)，協(xié)調(diào)訪問順序，避免沖突。5.1地址解碼1地址分配每個(gè)設(shè)備分配唯一的地址范圍2地址譯碼器將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址3地址沖突避免不同設(shè)備使用相同地址5.2總線緩沖隔離信號緩沖器用于隔離不同設(shè)備之間的信號，防止信號衰減或相互干擾。提高驅(qū)動能力緩沖器可以增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力，保證信號在長距離傳輸或連接多個(gè)設(shè)備時(shí)仍然保持穩(wěn)定。提高抗噪能力緩沖器可以過濾噪聲信號，提高總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.3總線仲裁1競爭多個(gè)設(shè)備可能需要同時(shí)使用總線。2仲裁需要一種機(jī)制來決定哪個(gè)設(shè)備優(yōu)先使用總線。3方法集中式仲裁、分布式仲裁。單片機(jī)系統(tǒng)總線擴(kuò)展實(shí)例外設(shè)接口擴(kuò)展通過擴(kuò)展接口電路，連接各種外設(shè)，例如傳感器、顯示器、鍵盤等。存儲擴(kuò)展增加外部存儲器，例如SRAM、EEPROM，以滿足更大的存儲需求。數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展利用ADC、DAC等器件，實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集和控制。單片機(jī)外設(shè)接口擴(kuò)展1擴(kuò)展方式單片機(jī)外設(shè)接口的擴(kuò)展可以通過添加額外的接口芯片或使用總線擴(kuò)展技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。2擴(kuò)展目的通過擴(kuò)展，單片機(jī)可以連接更多的外部設(shè)備，例如傳感器、顯示器、電機(jī)等，提高系統(tǒng)的功能和應(yīng)用范圍。3擴(kuò)展步驟擴(kuò)展過程需要進(jìn)行地址解碼、總線緩沖等操作，確保擴(kuò)展后的外設(shè)能夠正常工作。單片機(jī)存儲擴(kuò)展存儲空間不足單片機(jī)內(nèi)部存儲器容量有限，可能無法滿足程序和數(shù)據(jù)的存儲需求。擴(kuò)展存儲器通過外部存儲器芯片，可以擴(kuò)展單片機(jī)的存儲空間，滿足更大程序和數(shù)據(jù)存儲需求。6.3單片機(jī)數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展傳感器溫度傳感器、光傳感器、壓力傳感器等用于將物理量轉(zhuǎn)換為電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如濾波、計(jì)算、存儲等。課程小結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)了微計(jì)算機(jī)與微處理器系統(tǒng)總線及擴(kuò)展，從總線概念、分類、擴(kuò)展技術(shù)到單片機(jī)總線應(yīng)用，為后續(xù)學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本課程重點(diǎn)回顧微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)微處理器、存儲器和輸入/輸出設(shè)備之間的關(guān)系。系統(tǒng)總線地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的概念和作用。總線擴(kuò)展技