1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ УСТРОЙСТВ
1.1 Подключение внешних устройств к микропроцессору
Рассмотрим необходимые в проектировании устройства теоретические аспекты подключения к микропроцессору периферийных устройств. Также будут приведены структурные схемы в упрощённом для понимания виде.
Не следует забывать, что микропроцессорная система как самостоятельное устройство никому не нужна. Микропроцессор это инструмент для управления электрическими или электромеханическими устройствами или для обработки сигналов. Важным моментом в понимании вопроса предназначения микроконтроллеров является тот факт что управляющей программе всегда необходимо получать информацию извне. То есть из окружающей среды или от человека. И воздействовать на эту среду посредством управляемых устройств.
При задачах управления или обработки сигналов очень важно, чтобы решения процессора были согласованы во времени с окружающими событиями. Поэтому будут рассмотрены узлы микропроцессорной системы, позволяющие организовывать взаимодействие микропроцессорной системы с окружающей средой в реальном времени.
Микропроцессорные системы повсеместно используют для управления блоками, устройствами или системами связи. Для больших и дорогих систем связи, таких как АТС или центры сотовых систем связи, в качестве микропроцессорного устройства может быть использован ПК, группа компьютеров или промышленные контроллеры ПЛК. Для дешевой и малогабаритной аппаратуры применяются специализированные микропроцессорные устройства, в качестве которых обычно выступает однокристальный микроконтроллер, представляющий собой полностью законченную управляющую микропроцессорную систему с ПЗУ, ОЗУ, последовательными и параллельными портами, АЦП и таймерами, размещенными внутри корпуса микросхемы. Такой вариант решения управления устройствами связи и будет использован в данной работе.
Внешние устройства - устройства с которыми общается управляющая программа микропроцессора - то есть управляет ими, получает от них или передает им информацию. Это такие устройства как: дисплей, или любая индикация, устройства ввода, клавиатура, одиночные кнопки, датчики, но для устройств связи в качестве внешних устройств чаще всего выступают микросхемы кабельных, радио или оптических приемников и передатчиков (в том числе и передатчики, на базе сигнальных процессоров), микросхемы синтезаторов частоты, исполнительные устройства или ПЗУ с электрическим стиранием. Иногда это могут быть такие же микроконтроллеры, микроконтроллерные системы или даже ПК. Управляют такими устройствами обычно через параллельные или последовательные порты.
1.2 Принципы построения параллельного порта
Параллельные порты предназначены для обмена многоразрядными двоичными данными между контроллером и внешними устройствами. Параллельные порты позволяют согласовывать низкую скорость работы внешнего устройства и высокую скорость работы системной шины микропроцессора. Со стороны внешнего устройства порт - это обычный источник или приемник данных со стандартными цифровыми логическими уровнями, а со стороны контроллера — это ячейка памяти, где хранится, изменяется или появляется информация. Различают порты ввода, порты вывода и порты ввода-вывода.
1.2.1 Параллельный порт вывода
Самый простой порт вывода это параллельный регистр, т. к. это устройство позволяет запоминать данные, передаваемые контроллером по системной шине, и сохранять значения, пока на систему подается питание. В это время сигналы с выходов регистра подаются на внешнее устройство или сразу на несколько. Принципиальная схема простейшего порта вывода с использованием параллельного регистра приведена на рисунке 2.1.
Данные с системной шины записываются в регистр когда на "WR" приходит единица. Это становится возможным только при наличии нулевого уровня на выходе дешифратора адреса. Выходы "Q" могут быть использованы как источники логических уровней для управления.
В такой порт можно записать только двоичное многоразрядное число. В схеме нет цепей чтения содержимого регистра данных значит чтение его содержимого микропроцессором невозможно. Это не недостаток, т. к. копия содержимого порта вывода обычно хранится в ОЗУ.
Дешифратор адреса же нужен для систематизации ячеек в адресном пространстве микропроцессорной системы, чтобы регистр данных занимал не всё его пространство а только одну ячейку памяти.
Рисунок 2.1 - Принципиальная схема порта вывода
1.2.2 Параллельный порт ввода
У порта ввода назначение обратное. Логические сигналы, поступающие с извне, необходимо подключать к шине данных системной шины по сигналу RD от микропроцессора. Во всех остальных случаях эти сигналы попросту игнорируются.
В качестве порта ввода обычно используются схемы с третьим состоянием. Микросхема, объединяющая несколько таких элементов, называется шинным формирователем. Из такого порта можно только читать информацию. Простейший порт ввода представлен на рисунке 2.2. Для построения порта ввода, выход шинного формирователя необходимо подключить к внутренней шине данных, а ко входу подвести сигналы, с которыми будет что-либо делать микропроцессор. Значение такого сигнала передается на шину данных по управляющему сигналу "RD".
Рисунок 2.2 - Структурная схема порта ввода
Точно также, как и для порта вывода для отображения шинного формирователя порта ввода только в одну ячейку адресного пространства микропроцессорного устройства совместно с портом используют дешифратор адреса.
1.2.3 Параллельный порт ввода-вывода
В связи с тем, что современные технологические нормы на изготовление микропроцессоров (размеры проводников и транзисторов) очень малы по сравнению с показателями двадцатилетней давности, можно сделать вывод что размер корпуса микросхемы теперь зависит больше от количества внешних выводов - ножек микросхемы.
Из этих побуждений производители стали совмещать порты ввода и порты вывода, чтобы уменьшить суммарное количество ножек у микросхемы. При таком исполнении, пользователь с помощью программы, сам конфигурирует режим работы такого универсального порта.
В адресном пространстве микропроцессора с такими портами можно назначать один и тот же адрес для порта ввода и для порта вывода, так как в порт вывода возможна только запись, а из порта ввода - чтение. На рисунке 2.3 регистр данных и шинный формирователь тоже используют один и тот же адрес. Это обеспечивается подачей на вход логических элементов "3И-НЕ" одного и того же потенциала из линии А0. Какое из устройств будет подключено к шине данных, определяется сигналами WR и RD.
Направление передачи данных определяет коммутатор. Им управляет еще один параллельный порт вывода, регистр данных которого называется регистром управления параллельного порта ввода-вывода. Регистрам управления и данных порта ввода- вывода в адресном пространстве обычно даются соседние адреса. Это обеспечивается инверсией линии младшего разряда адреса А0.
Рисунок 2.3 - Структурная схема параллельного порта ввода-вывода
1.2.4 Примеры использования параллельных портов
Основа использования параллельных портов является подключение многокнопочных устройств ввода,
К восьмиразрядному порту ввода-вывода можно подключить одновременно до восьми кнопок или светодиодов. При этом каждой кнопке или светодиоду будет присвоен свой адрес. Но обычно для использования большого количества кнопок/индикаторов используют дополнительные внешние сдвиговые регистры, которым последовательно передают значения его параллельных разрядов.
Кроме параллельных портов ввода-вывода существуют последовательные порты, они используются очень часто и повсеместно. Взять хотя бы COM-порт (RS-232). Его поддержка ещё остаётся во всех выпускаемых сегодня компьютерах, но виртуализированно - через USB.
|
