看穿單片機(jī)第三節(jié)：總線模型

總線模型

如果把CPU看作“帝都”，存儲(chǔ)器看作是“衛(wèi)城”，它們之間要互通往來(lái)，就必然要修建道路，而這條道路又可以不斷延伸分支，將很多城市串連起來(lái)。這樣，城市兩兩之間便均可通行。這條“道路”就是總線！如圖1.11所示。（這些被串連起來(lái)的“城市”就猶如振南后面要講到的“CPU外設(shè)”）。

圖1.11 總線的結(jié)構(gòu)模型

好，現(xiàn)在CPU與存儲(chǔ)器之間的這條通路有了。此時(shí)，CPU如果要讀取存儲(chǔ)器中地址為addr位置上的一個(gè)字節(jié)，該如何作呢？這個(gè)過(guò)程主要分三步：（是不是想起了“把大象裝冰箱總共分幾步？”）

CPU首先告訴存儲(chǔ)器要讀取的地址；

等待存儲(chǔ)器將相應(yīng)地址上的數(shù)據(jù)取出來(lái)；

CPU將數(shù)據(jù)取走。

更為形象地說(shuō)明如圖1.12所示。

圖1.12 CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器的主要過(guò)程

仔細(xì)想一下，這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)其實(shí)涉及幾個(gè)問(wèn)題：CPU如何將地址給存儲(chǔ)器？CPU如何知道存儲(chǔ)器已將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好？CPU又如何將數(shù)據(jù)取走？……總結(jié)起來(lái)，主要是地址和數(shù)據(jù)的傳輸，以及它們之間的協(xié)調(diào)與控制。為了解決這一問(wèn)題，我們提出了這一模型，請(qǐng)看圖1.13。

圖1.13 CPU與存儲(chǔ)器之間的總線模型（讀數(shù)據(jù)）

圖中所看到的連線就是實(shí)實(shí)在在的用于傳輸二進(jìn)制信號(hào)（0或1）的導(dǎo)線。CPU首先將地址輸出到地址總線上（很顯然地址線的數(shù)量決定了CPU可以尋址的空間范圍），然后再將RD信號(hào)置為0（RD平時(shí)為1），告訴存儲(chǔ)器地址已經(jīng)給出，請(qǐng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)并將其輸出到數(shù)據(jù)總線上（數(shù)據(jù)線的數(shù)量決定了CPU的數(shù)據(jù)吞吐量，這也是衡量CPU位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，51單片機(jī)是8位單片機(jī)，則它每次只能讀到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，ARM是32位的，所以它可以一次性讀取一個(gè)字）。CPU對(duì)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀取，再將RD信號(hào)置1，整個(gè)過(guò)程便完成了。

那CPU如何向存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)呢？其實(shí)道理是一樣的，如圖1.14所示。

圖1.14 CPU與存儲(chǔ)器之間的總線模型（寫(xiě)數(shù)據(jù)）

仍然是由CPU先給出地址，再向數(shù)據(jù)總線給出要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，然后將WR信號(hào)置0，告訴存儲(chǔ)器地址與數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，請(qǐng)予以處理。最后將WR信號(hào)置1即可。

綜上所述，CPU中有三大總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線與控制總線。這一模型最終如圖1.15所示。

圖1.15 CPU與存儲(chǔ)器之間的總線模型

如果我們把CPU訪存過(guò)程中，各總線信號(hào)上的電平隨時(shí)間變化的示意圖畫(huà)出來(lái)的話，它將是這樣的，如圖1.16所示。

圖1.16 CPU總線操作的時(shí)序圖

上圖就是CPU總線操作的時(shí)序圖（Timing Digram）。它是描述接口時(shí)序與信號(hào)協(xié)議最為直觀的形式。看懂時(shí)序圖是我們學(xué)習(xí)電子和單片機(jī)技術(shù)，使用C語(yǔ)言正確編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)程序的根本基礎(chǔ)。