數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì) 課件 16-片上系統(tǒng)-總線

片上系統(tǒng)——總線片上微控制系統(tǒng)原理與項(xiàng)目設(shè)計(jì)第十六講本章內(nèi)容課程目標(biāo)了解嵌入式系統(tǒng)并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分析能夠?qū)⑽⒖刂破髋c不同的設(shè)備連接起來(lái)請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本3系統(tǒng)總線微處理器與存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備之間的交互通道地址總線（AddressBus，AB）n條線，即An-1,…,A0數(shù)據(jù)總線（DataBus，DB）m條線，即Dm-1,…,D0控制總線（ControlBus，CB）讀使能線nRD（低電平有效）寫使能線nWR（低電平有效）請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本4系統(tǒng)總線微處理器通過(guò)向地址總線輸出所要訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間地址，并將控制總線中的讀或?qū)懯鼓芫€置有效電平寫操作時(shí)，由微處理器輸出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上讀操作時(shí)，由存儲(chǔ)器或輸入輸出設(shè)備輸出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線上示例向地址為0x40的存儲(chǔ)空間寫入數(shù)據(jù)0x28時(shí)微處理器向地址總線輸出40H微處理器向數(shù)據(jù)總線輸出28H微處理器向nWR置低從地址為0x80的存儲(chǔ)空間讀取數(shù)據(jù)時(shí)微處理器向地址總線輸出80H微處理器向nRD置低存儲(chǔ)器或輸入輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線輸出存儲(chǔ)單元的值8H請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本5系統(tǒng)總線m位總線一次訪問(wèn)m位數(shù)據(jù)8位數(shù)據(jù)總線每次只能訪問(wèn)一個(gè)字節(jié)（D0-D7）16位數(shù)據(jù)總線每次可以訪問(wèn)兩個(gè)字節(jié)（D0-D15）、其中的一個(gè)字節(jié)（D0-D7或D8-D15）控制總線需要增加專用信號(hào)來(lái)指明每個(gè)字節(jié)是否被選中nBS0選擇D0-D7、nBS1選擇D8-D1532位數(shù)據(jù)總線每次可以訪問(wèn)四個(gè)字節(jié)（D0-D31）、其中的一個(gè)字節(jié)（D0-D7或D8-D15或D16-D23或D24-D31）、其中的一個(gè)雙字節(jié)（D0-D15或D16-D31）控制總線需要增加專用信號(hào)來(lái)指明每個(gè)字節(jié)是否被選中nBS0選擇D0-D7、nBS1選擇D8-D15、nBS2選擇D16-D23、nBS3選擇D24-D31。請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本6通信設(shè)備通過(guò)高低電平進(jìn)行數(shù)據(jù)通信發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為發(fā)送器按照一定時(shí)間節(jié)拍輸出一個(gè)電平至通信線上并保持至下一個(gè)節(jié)拍到達(dá)之前接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為接收器按同樣的時(shí)間節(jié)拍將通信線上的電平鎖存下來(lái)數(shù)據(jù)幀通信每次發(fā)送一定格式的多位數(shù)據(jù)統(tǒng)一的時(shí)鐘及幀起始時(shí)刻和相同的數(shù)據(jù)格式相同的數(shù)據(jù)格式是由收發(fā)雙方通過(guò)各自寫入相同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘及幀起始時(shí)刻則需要專門的信號(hào)控制線或控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本7通信設(shè)備工作方式全雙工（收發(fā)同時(shí)進(jìn)行）收發(fā)兩根傳輸線半雙工（收時(shí)不發(fā)，發(fā)時(shí)不收）一根傳輸線單工（只能收或發(fā)）一根傳輸線通信結(jié)構(gòu)點(diǎn)至點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳輸線只能連接兩個(gè)設(shè)備總線結(jié)構(gòu)傳輸線可以連接多個(gè)設(shè)備傳輸控制主從控制通信過(guò)程由一方來(lái)控制，另一方根據(jù)該方的指示進(jìn)行收發(fā)操作對(duì)等控制通信雙方獨(dú)立進(jìn)行收發(fā)操作。通信設(shè)備請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本8并行

每次傳輸一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)

更快，更容易串行

每次傳輸一個(gè)位

更便宜，非常適合通過(guò)電纜進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸并行串行的情況并行通信請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本9簡(jiǎn)單的單向并行端口I/O引腳被分組為8條線的單位（稱為一個(gè)端口）端口被硬連接為輸入或輸出簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)寄存器不靈活請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本10簡(jiǎn)單的雙向并行端口數(shù)據(jù)方向控制寄存器數(shù)據(jù)寄存器簡(jiǎn)單傳輸數(shù)據(jù)+1個(gè)控制信號(hào)（數(shù)據(jù)可用）

"開環(huán)“不能保證從機(jī)是否已讀到數(shù)據(jù)接收器如何知道何時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣？請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本11同步通信有獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)線來(lái)同步發(fā)送器和接收器額外的數(shù)字I/O線可以擴(kuò)展到完全握手同一時(shí)間只有一方產(chǎn)生時(shí)鐘異步的同步化是數(shù)據(jù)的一部分?jǐn)?shù)據(jù)攜帶頭以同步接收器串行通訊請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本12串行通信協(xié)議是計(jì)算機(jī)、傳感器、微控制器等設(shè)備之間用于通信的一系列規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。這些協(xié)議通常定義了數(shù)據(jù)格式、傳輸速率、同步方式、錯(cuò)誤檢測(cè)方法等。UART（通用異步接收/發(fā)送器）：UART是一種簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議。它不要求通信的兩端共享一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，因此被稱為“異步”通信。RS-232：RS-232是一種廣泛使用的長(zhǎng)距離串行通信協(xié)議，常用于計(jì)算機(jī)串行端口和外圍設(shè)備間的連接。由-3至-25V代表1，+3至+25V代表0RS-485：RS-485是另一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，支持更長(zhǎng)的通信距離和更高的傳輸速率，且可以在多點(diǎn)總線結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。I2C（Inter-IntegratedCircuit）：I2C是一種用于連接低速設(shè)備的多主機(jī)協(xié)議，如EEPROM、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、微控制器等。它使用兩條線：數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCL）。SPI（串行外設(shè)接口）：SPI是一種基于主從架構(gòu)的高速協(xié)議，它使用單獨(dú)的數(shù)據(jù)線來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)（通常是MISO和MOSI），以及一個(gè)時(shí)鐘線（SCK）。CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）：CAN協(xié)議常用于汽車和工業(yè)環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)微控制器之間的通信而無(wú)需宿主計(jì)算機(jī)。USB（通用串行總線）：USB是一種用于計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備的通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)，它支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和電源供應(yīng)。請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本13UART將數(shù)據(jù)的每個(gè)二進(jìn)制位采用相應(yīng)的電平（也稱為碼元）一位接一位地傳輸以幀為單位，多個(gè)碼元順序組合一個(gè)碼元傳輸時(shí)長(zhǎng)稱為碼元周期碼元周期的倒數(shù)稱為波特率數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)起始位：一位邏輯0數(shù)據(jù)位：位數(shù)可設(shè)，0/1邏輯校驗(yàn)位：可選位，常用奇偶校驗(yàn)停止位：位數(shù)可選，邏輯1請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本14STM32F411系列微控制器（MCU）使用UART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)STM32CubeMX配置UART和GPIO引腳使用HAL庫(kù)編寫程序。初始化系統(tǒng)。初始化UART。發(fā)送數(shù)據(jù)。intmain(void){ HAL_Init();//1.初始化HAL庫(kù) SystemClock_Config();//2.配置系統(tǒng)時(shí)鐘 MX_GPIO_Init();//3.初始化GPIO MX_USART2_UART_Init();//4.初始化UART while(1){//主循環(huán) if(HAL_UART_Transmit(&huart2,(uint8_t*)transmitData,strlen(transmitData),10)!=HAL_OK)//5.發(fā)送數(shù)據(jù) {//在這里處理錯(cuò)誤} HAL_Delay(1000);//等待1秒}}請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本15波特率測(cè)量每秒鐘的信號(hào)變化的次數(shù)每秒的比特?cái)?shù)（bps）衡量每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)UART中，每個(gè)信號(hào)變化代表一個(gè)比特，所以波特率和每秒比特?cái)?shù)是相等的典型的數(shù)據(jù)率是：300,600,1.2k,4.8k,9.6k,19.2k,38.4k,115.2k(bitspersecond)A9.6klinkwilltransferapprox.1000bytes/secondhuart2.Instance=USART2;huart2.Init.BaudRate=9600;huart2.Init.WordLength=UART_WORDLENGTH_8B;huart2.Init.StopBits=UART_STOPBITS_1;huart2.Init.Parity=UART_PARITY_NONE;huart2.Init.Mode=UART_MODE_TX_RX;huart2.Init.HwFlowCtl=UART_HWCONTROL_NONE;huart2.Init.OverSampling=UART_OVERSAMPLING_16;請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本16UART發(fā)送前檢查發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否準(zhǔn)備好是則寫入數(shù)據(jù)當(dāng)發(fā)送移位寄存器將數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，檢查發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中是否還有待發(fā)數(shù)據(jù)若有，則將發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)鎖存并啟動(dòng)下一次數(shù)據(jù)發(fā)送，與此同時(shí)置發(fā)送準(zhǔn)備好標(biāo)志否則，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本17UART接收方收到起始位后開始移位接收當(dāng)接收完一幀時(shí)，接收移位寄存器將數(shù)據(jù)鎖存至接收數(shù)據(jù)寄存器，并自動(dòng)等待下一次接收當(dāng)數(shù)據(jù)鎖存到接收數(shù)據(jù)寄存器時(shí)，置接收準(zhǔn)備好標(biāo)志微處理器查詢?cè)摌?biāo)志，一旦接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)被讀出，自動(dòng)清除接收準(zhǔn)備好標(biāo)志請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本18SPI由摩托羅拉公司（現(xiàn)為飛思卡爾）發(fā)起SPI是一種同步、串行、4線數(shù)據(jù)總線?？赡艿乃俾矢哌_(dá)25Mbits/sec高速、全雙工、同步通信總線工作模式主模式、從模式主設(shè)備、從設(shè)備,設(shè)備使用主/從關(guān)系進(jìn)行通信，其中主設(shè)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。只在主、從設(shè)備間進(jìn)行四個(gè)信號(hào)SCLK由主設(shè)備產(chǎn)生，供雙方的數(shù)據(jù)移位器進(jìn)行移位操作MOSI為主設(shè)備的移位輸出或從設(shè)備的移位輸入MISO為主設(shè)備的移位輸入或從設(shè)備的移位輸出NSS為從站選擇輸入或主站產(chǎn)生的從站選擇輸出請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本19SPI四種傳輸模式參數(shù)取值作用CPHA0第1個(gè)邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣第2個(gè)邊沿?cái)?shù)據(jù)發(fā)送1第2個(gè)邊沿進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣第1個(gè)邊沿?cái)?shù)據(jù)發(fā)送CPOL0SCLK高電平為有效態(tài)1SCLK低電平為有效態(tài)請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本20應(yīng)用LED矩陣制作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)控制一個(gè)大型的LED設(shè)備矩陣（1000個(gè)）解決方案從單個(gè)數(shù)字輸出線驅(qū)動(dòng)LED適用于少量的LED晶體管驅(qū)動(dòng)矩陣適用于100個(gè)以下的LED的廉價(jià)解決方案

網(wǎng)絡(luò)連接特殊用途芯片SPI連接基于SPI的芯片，針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)每個(gè)芯片控制16個(gè)LED，芯片可以組成一個(gè)鏈25MHz的比特率可以輕松實(shí)現(xiàn)等等I2C雙向二線制同步串行總線雙向串行時(shí)鐘線SCL雙向串行數(shù)據(jù)線SDA格式固定一個(gè)字節(jié)，高位在前工作模式主模式、從模式設(shè)備主設(shè)備提供時(shí)鐘，發(fā)起通信從設(shè)備接收指令，完成數(shù)據(jù)讀寫總線空閑時(shí)，SCL和SDL保持高電平請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本21ACKNACK從設(shè)備確認(rèn)地址無(wú)從設(shè)備從設(shè)備接收完一個(gè)字節(jié)從設(shè)備無(wú)法接收或發(fā)送無(wú)法識(shí)別發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令主設(shè)備通知從設(shè)備傳輸結(jié)束用一條串行數(shù)據(jù)（SDA）和一條時(shí)鐘（SCL）線實(shí)現(xiàn)。使兩個(gè)芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸同步7位地址空間允許多達(dá)128個(gè)不同的從機(jī)地址真正的多主站能力雙向數(shù)據(jù)傳輸半雙工每個(gè)字節(jié)傳輸后會(huì)確認(rèn)。對(duì)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒有限制。請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本22I2C起始信號(hào)SCL為高電平而SDA由高到低的跳變結(jié)束信號(hào)SCL為高電平而SDA由低到高的跳變應(yīng)答信號(hào)SDA發(fā)送低電平（ACK）或維持高電平（NACK）工作原理主設(shè)備發(fā)送起始位主設(shè)備發(fā)送7位從設(shè)備地址，1位讀寫方向，0主設(shè)備寫入從設(shè)備，1主設(shè)備讀取從設(shè)備從設(shè)備確認(rèn)地址后續(xù)控制/數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸與確認(rèn)主設(shè)備發(fā)送結(jié)束信號(hào)，結(jié)束通信請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本2324ADC模擬信號(hào)變到二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入電壓轉(zhuǎn)化N位二進(jìn)制數(shù)，共可以表示2N個(gè)電壓最大電壓值為VREF+最小電壓值為VREF-二進(jìn)制數(shù)m所對(duì)應(yīng)的模擬電壓值為mVREF+/2N多輸入通道復(fù)用每次轉(zhuǎn)換只選定某一輸入通道請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本25請(qǐng)?jiān)诓迦氩藛巍?yè)眉和頁(yè)腳中修改此文本26ADC單次轉(zhuǎn)換一次ADC轉(zhuǎn)換完成就結(jié)束必須通過(guò)人工啟動(dòng)再進(jìn)行下一次ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換一次轉(zhuǎn)換后自動(dòng)重啟下一次轉(zhuǎn)換非連續(xù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換，達(dá)到規(guī)定的次數(shù)后結(jié)束單通道模式只對(duì)某個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換下一次轉(zhuǎn)