【大学课件】微计算机与微处理器课件 单片机系统总线及扩展

微计算机与微处理器系统总线及扩展本节课将详细介绍单片机系统的总线结构，并探讨总线的扩展方法。课程内容简介1微计算机系统概述介绍微计算机系统的基本概念、结构和功能，以及常用的微处理器和外设。2微计算机系统总线深入探讨微计算机系统中总线的作用、分类和扩展技术。3单片机系统总线扩展实例结合实际案例，展示单片机系统总线扩展的应用场景和实现方法。1.微计算机系统的结构主板主板是微计算机系统的核心，它连接了所有主要组件，包括CPU、内存、硬盘和外设。CPUCPU负责处理数据和执行指令，是微计算机系统的“大脑”。内存内存用于存储正在运行的程序和数据，速度快，但容量有限。1.1微计算机系统的基本组成中央处理器(CPU)负责执行指令、控制数据流、处理数据等。存储器(Memory)用于存储程序和数据，分为主存和辅存。输入/输出设备(I/O)负责与外界进行数据交换，例如键盘、鼠标、显示器等。1.2微处理器的工作原理1指令译码将指令转换为机器语言2数据运算执行算术逻辑运算3数据传输在内存和外设之间传输数据4控制操作协调整个系统的操作2.微计算机系统总线数据传输通道连接微处理器、内存、外设等部件，实现数据传输。共享资源多个部件共享同一组线，提高系统效率和降低成本。标准化接口不同厂家生产的部件可以通过总线进行连接，实现系统扩展。2.1什么是总线数据传输通道总线是一组并行连接的导线，用于在微计算机系统不同部件之间传输数据、地址和控制信号。共享资源多个设备可以共享同一组总线，实现数据和信息的传递，提高系统资源利用率。同步通信总线上的数据传输通常采用同步方式，即所有设备使用同一个时钟信号进行同步。2.2总线的基本结构总线通常由三部分组成：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线：用于传输数据地址，决定CPU要访问哪个设备或内存单元。数据总线：用于传输数据，包括CPU和外设之间的数据传输。控制总线：用于控制数据传输方向、数据传输方式、时序等。2.3总线的分类1按总线的功能分类数据总线、地址总线和控制总线2按总线所连接的部件分类内部总线、外部总线、系统总线、扩展总线3按总线传输的数据类型分类并行总线、串行总线、同步总线、异步总线4按总线结构分类单总线、多总线、分层总线3.微计算机系统内部总线地址总线用于指定CPU要访问的内存单元或外设的地址。数据总线用于传输CPU与内存或外设之间的数据。控制总线用于控制各种设备的工作方式和数据传输方向。3.1地址总线地址总线地址总线是微处理器用来指定内存或外设的地址的信号线数据总线数据总线是微处理器用来传输数据的信号线控制总线控制总线是微处理器用来控制内存或外设操作的信号线3.2数据总线数据总线用于传输数据，例如指令、数据和地址。双向传输，CPU可以读取数据和写入数据。数据总线的宽度决定了数据传输的速率。3.3控制总线控制信号控制总线由各种控制信号组成，这些信号用于协调CPU、内存和外设之间的操作。同步控制控制信号指示CPU何时可以读取或写入数据，以及何时可以进行其他操作。操作控制控制总线上的信号可以控制内存和外设的操作模式，例如读写模式或数据传输方向。4.微计算机系统外部总线连接微处理器和外部设备扩展微计算机系统功能实现系统间数据通信4.1IIC总线简介IIC总线是一种串行通信协议，它使用两条线进行数据传输：SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）。特点IIC总线简单易用，支持多设备连接，且无需外部时钟源，广泛应用于各种电子系统中。应用IIC总线在单片机系统中用于扩展各种外设，例如EEPROM、实时时钟、传感器等。4.2SPI总线串行外设接口SPI是串行外设接口，是一种同步串行通信协议，由摩托罗拉公司提出。特点全双工通信，支持主从模式简单易用，无需复杂的控制逻辑工作频率高，数据传输速率快广泛应用于各种外设，如传感器、存储器等4.3CAN总线1高速通信CAN总线是一种高速串行通信协议，适用于实时控制系统。2可靠性强CAN总线具有高可靠性，能够在恶劣环境中稳定工作。3广泛应用CAN总线应用广泛，例如汽车电子、工业自动化、医疗设备等领域。5.总线扩展技术地址解码将多个设备分配到不同的地址空间，防止冲突。总线缓冲隔离多个设备对总线的负载，提高系统性能。总线仲裁多个设备共享总线时，协调访问顺序，避免冲突。5.1地址解码1地址分配每个设备分配唯一的地址范围2地址译码器将逻辑地址转换为物理地址3地址冲突避免不同设备使用相同地址5.2总线缓冲隔离信号缓冲器用于隔离不同设备之间的信号，防止信号衰减或相互干扰。提高驱动能力缓冲器可以增强信号的驱动能力，保证信号在长距离传输或连接多个设备时仍然保持稳定。提高抗噪能力缓冲器可以过滤噪声信号，提高总线数据传输的可靠性。5.3总线仲裁1竞争多个设备可能需要同时使用总线。2仲裁需要一种机制来决定哪个设备优先使用总线。3方法集中式仲裁、分布式仲裁。单片机系统总线扩展实例外设接口扩展通过扩展接口电路，连接各种外设，例如传感器、显示器、键盘等。存储扩展增加外部存储器，例如SRAM、EEPROM，以满足更大的存储需求。数据采集扩展利用ADC、DAC等器件，实现对模拟信号的采集和控制。单片机外设接口扩展1扩展方式单片机外设接口的扩展可以通过添加额外的接口芯片或使用总线扩展技术来实现。2扩展目的通过扩展，单片机可以连接更多的外部设备，例如传感器、显示器、电机等，提高系统的功能和应用范围。3扩展步骤扩展过程需要进行地址解码、总线缓冲等操作，确保扩展后的外设能够正常工作。单片机存储扩展存储空间不足单片机内部存储器容量有限，可能无法满足程序和数据的存储需求。扩展存储器通过外部存储器芯片，可以扩展单片机的存储空间，满足更大程序和数据存储需求。6.3单片机数据采集扩展传感器温度传感器、光传感器、压力传感器等用于将物理量转换为电信号。模数转换器(ADC)将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号。数据处理单片机对采集到的数据进行处理，例如滤波、计算、存储等。课程小结本节课学习了微计算机与微处理器系统总线及扩展，从总线概念、分类、扩展技术到单片机总线应用，为后续学习单片机系统打下坚实基础。本课程重点回顾微计算机系统的结构微处理器、存储器和输入/输出设备之间的关系。系统总线地址总线、数据总线和控制总线的概念和作用。总线扩展技