# 单片机基础电路：总线结构与通信接口 ## 一、总线结构
总线是连接单片机内部各个部件以及单片机与外部设备的一组公共信号线。它就像城市的交通主干道，数据、地址和控制信息都在这些“道路”上传输。其主要功能是实现各部件之间的信息共享和通信协调。
- 地址总线用于传输存储器单元或I/O设备的地址信息。在单片机系统中，每个存储单元和I/O接口都有一个唯一的地址，就像每个家庭都有一个唯一的门牌号。例如，对于一个具有16位地址总线的单片机，它可以寻址的范围是$2^{16}$，即65536个不同的地址。 - 当单片机需要访问某个特定的存储单元或I/O设备时，会通过地址总线发送相应的地址编码。这个编码由控制器生成，沿着地址总线传输到存储器或I/O接口芯片。
- 地址总线的宽度决定了单片机可寻址的空间大小。较宽的地址总线可以访问更多的存储单元和I/O设备。例如，8位单片机通常地址总线较窄，其可寻址空间有限；而32位单片机地址总线较宽，能够访问更大的内存空间，适合处理复杂的、数据量较大的应用。
- 数据总线用于在单片机内部各部件之间以及单片机与外部设备之间传输数据。数据可以是指令、操作数、中间结果等。它是双向的，既可以将数据从存储器或外部设备读取到单片机内部，也可以将单片机内部的数据发送到外部设备。 - 数据的传输是并行的，例如8位数据总线可以同时传输8位二进制数据。这就好比8车道的高速公路，一次可以通过8辆车，大大提高了数据传输的效率。
- 数据总线的宽度和单片机的数据处理能力密切相关。较宽的数据总线能够一次传输更多的数据位，使得单片机在处理大数据量时更加高效。例如，16位或32位的数据总线可以让单片机更快地处理图像、音频等复杂数据，因为这些数据类型通常需要大量的位来表示。
- 控制总线用于传输各种控制信号，这些信号协调单片机内部各部件的工作以及单片机与外部设备之间的交互。常见的控制信号包括读信号（$\overline{RD}$）、写信号（$\overline{WR}$）、片选信号（$\overline{CS}$）等。 - 读信号用于控制从存储器或外部设备读取数据，当$\overline{RD}$有效时，数据从被选中的存储单元或外部设备通过数据总线传输到单片机内部。写信号则相反，当$\overline{WR}$有效时，单片机内部的数据通过数据总线写入到被选中的存储单元或外部设备。片选信号用于选择特定的存储单元或外部设备，只有被选中的设备才能与单片机进行数据交互。
- 控制总线是整个单片机系统的指挥棒。它确保了数据传输的正确性和及时性，防止不同设备之间的数据冲突。例如，在多个外部设备同时连接到单片机的情况下，通过控制总线的片选信号可以依次选择需要通信的设备，有条不紊地进行数据传输和处理。 ## 二、通信接口
- UART（通用异步收发器）是一种广泛应用的串行通信接口。它通过两根线（发送线TX和接收线RX）进行数据传输。在发送数据时，UART将并行数据转换为串行数据，按照一定的波特率（每秒传输的位数）逐位发送出去。例如，波特率为9600bps时，每秒发送9600位数据。 - 在接收数据时，UART从接收线RX上逐位接收串行数据，然后将其转换为并行数据，供单片机处理。数据的格式通常包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。起始位用于表示数据的开始，停止位用于表示数据的结束，奇偶校验位用于检查数据传输的正确性。
- UART接口常用于单片机与外部设备之间的短距离通信。比如，单片机与计算机之间的串口通信，通过UART接口可以方便地进行数据传输和调试。在一些简单的电子设备中，如电子秤与显示模块之间的通信，也经常使用UART接口来传输重量数据等信息。
- SPI（串行外围设备接口）是一种高速的全双工串行通信接口。它使用四根线，分别是主设备输出从设备输入线（MOSI）、主设备输入从设备输出线（MISO）、时钟线（SCK）和从设备选择线（SS）。 - 在通信过程中，主设备通过SCK提供时钟信号，控制数据传输的速度和时序。主设备通过MOSI向从设备发送数据，同时从设备通过MISO向主设备发送数据。SS线用于选择特定的从设备，只有被选中的从设备才会参与通信。SPI的通信速度相对较快，因为它采用了独立的时钟信号和全双工通信方式。
- SPI接口常用于需要高速数据传输的场合。例如，在存储设备（如SPI Flash）与单片机之间的通信中，SPI接口可以快速地将数据写入存储设备或者从存储设备中读取数据。在一些传感器模块（如加速度传感器）与单片机的连接中，SPI接口也能够高效地传输传感器采集到的数据。
- I2C（内部集成电路）是一种简单、高效的双向二线制串行通信接口。它只需要两根线，一根是数据线（SDA），另一根是时钟线（SCL）。 - I2C采用主从式通信方式，主设备通过SCL提供时钟信号，在SDA线上传输数据。在数据传输过程中，通过起始信号、停止信号、应答信号等来控制通信的流程。例如，主设备发送起始信号开始通信，然后发送设备地址和读写命令，从设备接收到自己的地址后会返回应答信号，表示准备好接收或发送数据。
- I2C接口在连接多个低速设备时非常方便。在一个复杂的电子系统中，如智能家电的控制板，可能有多个I2C设备，如温度传感器、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）等。通过I2C接口，单片机可以方便地与这些设备进行通信，获取温度数据或者存储和读取配置信息。
