【大學(xué)課件】單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展

單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展歡迎參加本次關(guān)于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展的講座。我們將深入探討如何擴(kuò)展單片機(jī)的功能，以滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。單片機(jī)的功能局限性內(nèi)部資源有限單片機(jī)內(nèi)置的存儲(chǔ)器和I/O端口數(shù)量有限，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。處理能力受限單片機(jī)的CPU頻率和位寬較低，無法處理高速或大量數(shù)據(jù)。功能單一基本單片機(jī)缺乏高級(jí)功能，如高精度AD/DA轉(zhuǎn)換或復(fù)雜通信接口。單片機(jī)的外圍設(shè)備存儲(chǔ)器擴(kuò)展RAM和ROM，增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序空間。輸入設(shè)備添加傳感器、開關(guān)等，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集能力。輸出設(shè)備連接顯示器、執(zhí)行器等，實(shí)現(xiàn)信息輸出和控制。常見擴(kuò)展設(shè)備介紹存儲(chǔ)器SRAM、EEPROM、Flash存儲(chǔ)器等，用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間。通信接口UART、SPI、I2C等，實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AD/DA轉(zhuǎn)換器，用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。存儲(chǔ)器擴(kuò)展1確定需求分析應(yīng)用所需的存儲(chǔ)空間和訪問速度。2選擇存儲(chǔ)器根據(jù)需求選擇合適類型和容量的存儲(chǔ)器。3硬件連接將存儲(chǔ)器芯片與單片機(jī)的地址、數(shù)據(jù)和控制總線相連。4軟件配置編寫驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的讀寫操作。存儲(chǔ)器的分類RAM隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，掉電數(shù)據(jù)丟失。ROM只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序代碼，數(shù)據(jù)不易丟失。EEPROM電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，可多次擦寫，速度較慢。Flash閃存，兼具RAM和ROM特點(diǎn)，大容量，擦寫速度快。存儲(chǔ)器的選擇容量需求確定所需存儲(chǔ)空間大小。訪問速度考慮讀寫操作的頻率和速度要求。功耗考慮評(píng)估系統(tǒng)的功耗限制。成本因素權(quán)衡性能和預(yù)算。輸入輸出擴(kuò)展1并行擴(kuò)展2串行擴(kuò)展3專用接口擴(kuò)展4無線通信擴(kuò)展輸入輸出擴(kuò)展是提升單片機(jī)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。不同擴(kuò)展方式適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景。常見的輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備的接口并行接口高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于近距離連接。串行接口線路簡單，適用于遠(yuǎn)距離通信。無線接口靈活性高，適用于移動(dòng)或分布式系統(tǒng)。AD/DA轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將離散的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬信號(hào)。AD/DA轉(zhuǎn)換的基本原理1采樣以固定時(shí)間間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。2量化將采樣值映射到離散的數(shù)字量化級(jí)。3編碼將量化后的數(shù)值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字編碼。AD/DA轉(zhuǎn)換器的選擇1分辨率選擇適合應(yīng)用精度要求的位數(shù)。2采樣率根據(jù)信號(hào)頻率特性確定采樣速度。3接口類型考慮與單片機(jī)的兼容性和連接便利性。4功耗評(píng)估系統(tǒng)的功耗預(yù)算，選擇合適的器件。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的擴(kuò)展1基本定時(shí)器2高級(jí)定時(shí)器3看門狗定時(shí)器4實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)擴(kuò)展定時(shí)器/計(jì)數(shù)器能夠提高系統(tǒng)的時(shí)序控制和事件計(jì)數(shù)能力。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的基本原理時(shí)鐘源提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。預(yù)分頻器對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻。計(jì)數(shù)器累計(jì)時(shí)鐘脈沖數(shù)。比較器比較計(jì)數(shù)值與設(shè)定值。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用精確延時(shí)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)或微秒級(jí)的精確延時(shí)控制。PWM生成產(chǎn)生用于電機(jī)控制或調(diào)光的脈寬調(diào)制信號(hào)。頻率測(cè)量測(cè)量外部信號(hào)的頻率或周期。中斷系統(tǒng)的擴(kuò)展外部中斷響應(yīng)外部設(shè)備的觸發(fā)信號(hào)。定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)周期性或定時(shí)任務(wù)。串口中斷處理異步通信事件。ADC中斷響應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成事件。中斷系統(tǒng)的基本原理1中斷源觸發(fā)外部事件或內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)中斷請(qǐng)求。2中斷請(qǐng)求中斷控制器接收并處理中斷請(qǐng)求。3CPU響應(yīng)CPU暫停當(dāng)前任務(wù)，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。4中斷返回執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷服務(wù)程序的編寫保存現(xiàn)場(chǎng)保存CPU寄存器狀態(tài)。處理中斷執(zhí)行特定的中斷處理任務(wù)。清除標(biāo)志清除中斷標(biāo)志位?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)CPU寄存器狀態(tài)。串行通信接口UART通用異步收發(fā)器，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。SPI串行外設(shè)接口，高速同步通信，適用于短距離。I2C兩線式串行總線，適用于多設(shè)備通信。常見的串行通信協(xié)議串行通信接口的應(yīng)用傳感器數(shù)據(jù)采集通過I2C或SPI讀取傳感器數(shù)據(jù)。顯示器控制使用SPI驅(qū)動(dòng)LCD或OLED顯示屏。無線通信模塊通過UART與WiFi或藍(lán)牙模塊通信。并行通信接口高速數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)，適用于高帶寬應(yīng)用。直觀簡單數(shù)據(jù)傳輸過程直觀，易于理解和調(diào)試。接線復(fù)雜需要多根數(shù)據(jù)線，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。并行通信接口的特點(diǎn)傳輸速度快同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)，理論上速度更快。距離限制由于信號(hào)同步問題，傳輸距離通常較短。引腳占用多需要大量I/O引腳，增加了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。并行通信接口的應(yīng)用存儲(chǔ)器擴(kuò)展連接外部RAM或ROM，擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。顯示器驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)并行接口的LCD顯示模塊。打印機(jī)接口實(shí)現(xiàn)與并口打印機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸?？偩€系統(tǒng)的擴(kuò)展1系統(tǒng)總線2外設(shè)總線3串行總線4無線總線總線系統(tǒng)擴(kuò)展可以提高單片機(jī)與外圍設(shè)備的連接能力和靈活性?？偩€系統(tǒng)的基本原理地址總線指定數(shù)據(jù)的源或目標(biāo)地址。數(shù)據(jù)總線傳輸實(shí)際的數(shù)據(jù)信息?？刂瓶偩€協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作?？偩€系統(tǒng)的應(yīng)用多設(shè)備連接通過總線連接多個(gè)外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資源共享。模塊化設(shè)計(jì)利用標(biāo)準(zhǔn)總線接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和可擴(kuò)展性。分布式系統(tǒng)構(gòu)建基于總線的分布式控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性。智能家居利用總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備的互聯(lián)和集中控制。總結(jié)和展望系統(tǒng)擴(kuò)展的重要性擴(kuò)展能力決定了單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)