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

微計(jì)算機(jī)與微處理器單片機(jī)系統(tǒng)總線及擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)總線連接橋梁?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)總線是連接CPU、內(nèi)存、外設(shè)等各種部件的橋梁，它就像一條高速公路，保證了數(shù)據(jù)在各個(gè)組件間高效傳輸。信息傳遞總線通過(guò)信號(hào)線傳遞信息，包括數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)，就像交通指示牌一樣，引導(dǎo)數(shù)據(jù)流向正確的位置。關(guān)鍵組成單片機(jī)系統(tǒng)總線由地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線三部分組成，它們協(xié)同工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和效率?？偩€的組成1地址總線用于指定要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或外設(shè)的地址。2數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，包括指令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。3控制總線用于協(xié)調(diào)各個(gè)部件之間的操作，包括讀寫(xiě)操作的控制信號(hào)?？偩€的分類(lèi)按總線結(jié)構(gòu)分類(lèi)單總線、多總線、總線系統(tǒng)。按總線功能分類(lèi)地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。按總線傳輸方式分類(lèi)串行總線、并行總線。按總線應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)系統(tǒng)總線、外設(shè)總線、通信總線。地址總線地址空間地址總線用于選擇內(nèi)存或外設(shè)。地址碼CPU通過(guò)地址總線發(fā)送地址碼。單向傳輸?shù)刂房偩€一般是單向傳輸?shù)摹?shù)據(jù)總線雙向傳輸數(shù)據(jù)總線是雙向的，這意味著數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向上傳輸。并行傳輸數(shù)據(jù)總線通常用于并行傳輸數(shù)據(jù)，這意味著多個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)總線的寬度決定了可以同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)?？刂瓶偩€指令控制信號(hào)控制總線傳輸各種控制信號(hào)，例如讀寫(xiě)操作信號(hào)、中斷請(qǐng)求信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等。數(shù)據(jù)傳輸方向控制控制總線負(fù)責(zé)指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，例如?shù)據(jù)從CPU到內(nèi)存或從內(nèi)存到CPU。設(shè)備選擇控制總線用于選擇特定的外設(shè)或內(nèi)存單元，以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作?？偩€的時(shí)序特性1時(shí)序數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)2同步使用公共時(shí)鐘信號(hào)3異步使用握手信號(hào)總線操作的基本時(shí)序1地址總線CPU傳送地址給外設(shè)，選擇哪個(gè)設(shè)備參與操作。2數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)傳輸，包含數(shù)據(jù)讀出和寫(xiě)入。3控制總線控制數(shù)據(jù)傳輸方向、時(shí)序和操作類(lèi)型。讀總線操作時(shí)序1地址總線CPU將要訪問(wèn)的地址信息發(fā)送到地址總線2讀命令CPU通過(guò)控制總線發(fā)出讀命令3數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)從外設(shè)傳輸?shù)紺PU寫(xiě)總線操作時(shí)序1地址總線CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)到外設(shè)2數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)從CPU傳輸?shù)酵庠O(shè)3控制總線控制信號(hào)引導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸外設(shè)與總線的接口通過(guò)連接器和電纜連接到總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。需要遵循總線協(xié)議規(guī)范，確保設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換正確進(jìn)行。接口電路通常包括寄存器、緩沖器、驅(qū)動(dòng)器等，實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配和轉(zhuǎn)換。總線擴(kuò)展擴(kuò)展總線將一個(gè)總線系統(tǒng)擴(kuò)展成更大的系統(tǒng)，以支持更多外設(shè)。提高系統(tǒng)性能擴(kuò)展總線可以提高系統(tǒng)性能，例如增加數(shù)據(jù)傳輸速率。連接更多外設(shè)擴(kuò)展總線可以連接更多外設(shè)，例如打印機(jī)、掃描儀等。板級(jí)總線1定義板級(jí)總線是連接同一個(gè)電路板上的各個(gè)功能模塊的總線，也稱(chēng)內(nèi)部總線。2特點(diǎn)通常采用高速、并行的方式，用于實(shí)現(xiàn)板內(nèi)各個(gè)模塊之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于微機(jī)系統(tǒng)中，例如CPU、內(nèi)存、外設(shè)控制器等模塊之間的通信。系統(tǒng)總線核心連接系統(tǒng)總線是連接CPU、內(nèi)存和外設(shè)的橋梁，將所有組件連接在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總線負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)傳輸，包括指令、數(shù)據(jù)、地址等，確保系統(tǒng)正常運(yùn)作。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總線通常是高速總線，以滿足系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸需求，保證系統(tǒng)效率?，F(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)性現(xiàn)場(chǎng)總線能夠快速可靠地傳輸數(shù)據(jù)，以滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求?？煽啃袁F(xiàn)場(chǎng)總線采用冗余機(jī)制和錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院屯暾浴ｌ`活性現(xiàn)場(chǎng)總線支持多種通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以靈活地適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。總線仲裁機(jī)制1競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí)，需要一個(gè)機(jī)制來(lái)決定哪個(gè)設(shè)備可以獲得總線控制權(quán)。2公平仲裁機(jī)制確保所有設(shè)備都有機(jī)會(huì)使用總線，避免某一設(shè)備獨(dú)占總線。3效率仲裁機(jī)制應(yīng)盡可能快地決定哪個(gè)設(shè)備獲得控制權(quán)，避免總線空閑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。固定優(yōu)先級(jí)仲裁分配固定優(yōu)先級(jí)每個(gè)設(shè)備都分配了一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的設(shè)備可以?xún)?yōu)先使用總線。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于理解和調(diào)試，但靈活性較差，無(wú)法適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景。應(yīng)用場(chǎng)景適用于優(yōu)先級(jí)明確，且優(yōu)先級(jí)變化不大的系統(tǒng)。輪詢(xún)仲裁定期檢查輪詢(xún)仲裁通過(guò)定期檢查每個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)來(lái)決定哪個(gè)設(shè)備可以使用總線。循環(huán)訪問(wèn)設(shè)備以固定的順序輪流訪問(wèn)總線，每個(gè)設(shè)備獲得一定的時(shí)間片來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。公平分配輪詢(xún)仲裁確保所有設(shè)備都能夠平等地獲得總線訪問(wèn)權(quán)，避免某個(gè)設(shè)備長(zhǎng)期占用總線。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)仲裁根據(jù)當(dāng)前總線使用情況和設(shè)備需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級(jí)提高總線利用率，降低平均響應(yīng)時(shí)間采用多種算法，如優(yōu)先級(jí)隊(duì)列或輪詢(xún)機(jī)制總線擴(kuò)展技術(shù)片上總線，集成在芯片內(nèi)部的總線，用于連接芯片內(nèi)部的不同模塊。片外總線，連接芯片外部不同器件的總線，用于擴(kuò)展系統(tǒng)功能?？偩€擴(kuò)展電路，用于連接片上總線和片外總線，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。片上總線1速度快片上總線連接芯片內(nèi)部的各個(gè)功能模塊，距離短，傳輸速度快。2成本低片上總線是集成在芯片內(nèi)部的，無(wú)需額外布線，降低了成本。3設(shè)計(jì)靈活片上總線的設(shè)計(jì)可以根據(jù)芯片的功能模塊靈活調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。片外總線連接外部設(shè)備片外總線用于連接單片機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備，例如存儲(chǔ)器、外設(shè)、傳感器等。擴(kuò)展系統(tǒng)功能通過(guò)片外總線可以擴(kuò)展系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量、增加外設(shè)接口，提升系統(tǒng)性能和功能。數(shù)據(jù)傳輸通道片外總線是系統(tǒng)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，?shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換?？偩€擴(kuò)展電路總線緩沖器擴(kuò)展總線時(shí)，需要使用總線緩沖器來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度，并降低信號(hào)延遲?？偩€驅(qū)動(dòng)器總線驅(qū)動(dòng)器用于增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，以驅(qū)動(dòng)多個(gè)設(shè)備?？偩€接收器總線接收器用于接收來(lái)自多個(gè)設(shè)備的信號(hào)，并將其傳遞給總線。擴(kuò)展總線的時(shí)序特性時(shí)序特性描述總線周期完成一次總線操作所需的時(shí)間總線寬度總線上的數(shù)據(jù)線數(shù)量，決定一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量總線速度總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，通常以MHz或Gbps衡量總線延遲數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端所需的時(shí)間外圍設(shè)備的接口鍵盤(pán)用于輸入文本和其他數(shù)據(jù)鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)，進(jìn)行操作打印機(jī)用于將電子數(shù)據(jù)打印成紙質(zhì)文件外圍設(shè)備接口電路微控制器微控制器是系統(tǒng)的心臟，負(fù)責(zé)管理和控制所有外圍設(shè)備。接口芯片接口芯片提供與外圍設(shè)備通信的橋梁，轉(zhuǎn)換信號(hào)和協(xié)議。數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線連接微控制器和外圍設(shè)備，傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。外圍設(shè)備的時(shí)序特性1時(shí)鐘信號(hào)用于控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?數(shù)據(jù)有效信號(hào)指示數(shù)據(jù)在總線上有效的時(shí)間3應(yīng)答信號(hào)外設(shè)接收數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)并行接口數(shù)據(jù)傳輸并行接口同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)，速度快，適用于傳輸大量數(shù)據(jù)，例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)等。應(yīng)用場(chǎng)景適合近距離數(shù)據(jù)傳輸，例如主板與硬盤(pán)、主板與打印機(jī)之間的連接。缺點(diǎn)線路復(fù)雜，成本高，傳輸距離受限，容易受到干擾。串行接口1數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)按位順序傳輸，效率較低，但成本低、距離遠(yuǎn)。2應(yīng)用場(chǎng)景適用于數(shù)據(jù)量較小、傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)景，例如，與計(jì)算機(jī)通信、傳感器數(shù)據(jù)采集。3常見(jiàn)類(lèi)型RS-232、RS-485、SPI、I2C等?？偩€擴(kuò)展案例分析總線擴(kuò)展是單片機(jī)系統(tǒng)中常見(jiàn)的技術(shù)，可以有效地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的功能和性能。例如，在一個(gè)需要多個(gè)傳感器和執(zhí)行器連接