单片机原理与接口技术PPT电子课件教案-第9章_单片机系统常用串行扩展技术精选.ppt

共103 本章教学要求 （1）了解常用串行总线协议，熟悉I2C总线工作原理。 （2）掌握利用软件编程模拟I2C总线时序的程序设计方法。 （3）熟悉串行EEPROM存储器和Flash存储器的接口设计方法。 （4）熟悉串行总线扩展I/O接口的方法。 （5）熟悉串行键盘和LED显示器的扩展方法。 本 章 目 录 9.1 常用串行总线协议 9.1.1 I2C串行总线 9.1.2 SPI总线 9.1.3 单线总线 9.2 串行存储器扩展 9.2.1 I2C接口EEPROM的存储器扩展 9.2.2 SPI接口的大容量FLASH存储器扩展 9.3 串行转并行I/O接口扩展 9.3.1 串行转并行I/O扩展芯片的工作原理 前 言 传统的单片机系统采用并行总线扩展外围设备，对地址线译码产生片选信号，为每个外设分配唯一的地址，利用并行数据总线传输数据，需要的单片机芯片引脚数多。例如8051单片机采用并行总线扩展一个外围芯片需要的最少引脚数为： 8(数据)+2(RD,WR)+1(/CS)+n条地址线 n=log2(内部寄存器或存储器字节的数目) 这种方式虽然传输速度高，但是芯片封装体积增大使成本升高，同时电路板体积增大，布线复杂度高，也带来故障点增多，调试维修多有不便。 随着电子技术的发展，串行总线技术日益成熟，具有代表性的典型串行总线有I2C、SPI、1-Wire?、MICROWIRE等。随着串行总线数据传输速率的逐渐提高和芯片逐渐系列化，为多功能、小型化和低成本的单片机系统的设计提供了更好的解决方案。采用串行总线扩展技术可以使系统的硬件设计简化，系统的体积减小，系统的更改和扩充更为容易。可以说串行总线技术已成为单片机总线的主导技术。本章将主要介绍单片机系统的串行总线扩展技术和方法。 9.1 常用串行总线协议 为了简化集成电路之间的互连，Philips公司开发出一种标准外围总线互连接口，称为“集成电路间总线”或“内部集成电路总线”I2C（Inter-IC）。I2C总线是一个两线双向串行总线接口标准，采用这种接口标准的器件只需要使用两条信号线与单片机进行连接，就可以完成单片机与接口器件之间的信息交互。 其相关的术语有： 发送器（Transmitter）：发送数据到总线的器件； 接收器（Receiver）：从总线接收数据的器件； 主器件（Master）：即主控器件，初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件； 从器件（Slave）：被主控器件寻址的器件。 9.1.1 I2C串行总线 由于I2C总线的双向特性，总线上的主器件和从器件都可能成为发送器和接收器。 在主器件发送数据或命令时，主器件是发送器（主发送器）； 在主器件接收从器件的数据时，主器件为接收器（主接收器）； 从器件在接收主器件命令或数据时，从器件是接收器（从接收器）； 从器件向主器件返回数据时则是发送器（从发送器）。 由于采用串行数据传输方式，其传输速率不是太高。 标准模式下数据传输速率为100 kb/s； 快速模式下传输速率为400 KB/s； 高速模式传输速率为3.4 Mb/s。 9.1.1 I2C串行总线 采用I2C总线设计系统具有如下的优点： (1) 实际的器件与功能框图中的功能模块相对应，所有I2C器件共用一条总线，便于将框图转化成原理图。 (2) 在两条线上完成寻址和数据传输，节省电路板体积。 (3) 器件通过内置地址结合可编程地址的方式寻址，不需设计总线接口；增加和删减系统中的外围器件，不会影响总线和其他器件的工作，便于系统功能的改进和升级。 (4) 数据传输协议可以使系统完全由软件来定义，应用灵活适应面广。 (5) 通过多主器件模式可以将外部调试设备连接到总线上，为调试、诊断提供便利。 9.1.1 I2C串行总线 I2C总线采用二线制传输，分别是： 串行数据线SDA（Serial Data Line） 串行时钟线SCL（serial clock line） 所有I2C器件都连接在SDA和SCL上。 单片机系统采用I2C总线可方便地扩展外部存储器、AD和DA转换器、实时时钟、键盘、显示等接口电路。如下图。 9.1.1 I2C串行总线 9.1.1 I2C串行总线 I2C总线支持多主和主从两种工作方式。一般的设计中I2C总线工作在主从工作方式，I2C总线上只有一个主器件，其它均为从器件。主器件对总线具有控制权。在多主方式中，通过硬件和软件的仲裁，主控制器取得总线控制权。 9.1.1 I2C串行总线 器件的地址由4位固定位和3位可编程位组成。固定位由生产厂家给出，用户不能改变。可编程位与器件的地址管脚的连接相对应，当系统中使用了多个相同芯片时可以进行正确的访