21. Приведите причины для преобразования напряжения логических уровней. Опишите возможные методы реализации
Если стыкуются устройства, реализованные на (интегральных схемах) ИС с различным типом логики и различным по полярности напряжением питания (например, ЭСЛ и КМОП), то применяют или специальные ИС преобразователей напряжения, или специальные схемы включения. ИС преобразователей напряжения не всегда приемлемы, так как обычно обеспечивают одностороннюю, а не двунаправленную, передачу данных, и часто увеличивают стоимость разработки.
В схемных решениях приводят в соответствие пороги переключения ИС в обеих устройствах за счёт сдвига напряжения, подключаемого к земляному выводу, на такую величину, чтобы пороги переключения соответствовали друг другу. Например (см. рисунок) для разнополярных по питанию схем сдвиг производят на величину U* = UПЕРЕКЛ КМОП + |UПЕРЕКЛ ЭСЛ|. Если размах напряжения между уровнями логических «1» и «0» одинаковы, то соединение устройств производится напрямую без дополнительных компонентов. Если этот размах напряжения у приёмного устройства больше, чем у передающего, то соединение производится через дополнительный резистор (1 – 10 кОм), ограничивающий ток по связывающему проводнику и предохраняющий входной каскад приёмника от самовозбуждения.
Так как современные КМОП микропроцессорные средства потребляют очень малую мощность от источника питания (потребляемый ток единицы – доли миллиампера), то сдвиг напряжения можно осуществить простым включением в цепь питания диодов. Падение напряжения на кремниевом диоде составляет 0,7 В, а на германиевом 0,3 В.
22) Основной интерфейс между однокристальным МП-устройством и внешними устройствами реализуется через параллельные порты ввода-вывода. Во многих микроконтроллерах выводы этих портов служат также для выполнения других функций – последовательного или аналогового ввода-вывода. Типичная схема подключения внешнего вывода показана на рисунке
При вводе данных считывается значение сигнала («0» или «1») на внешнем выводе, а не содержимое триггера данных. Внешний вывод в режиме ввода работает как выход с открытым коллектором. Внешний вывод переходит в режим вывода информации только для выдачи «0»: ноль сначала записывается в триггер данных, а затем с помощью триггера управления на внешнем выводе устанавливается низкий уровень напряжения.
В современных МК обеспечивается индивидуальный доступ к триггеру данных и триггеру управления с помощью адресной шины. Внешний вывод также может быть использован для подачи запроса на прерывание – в этом случае внешний вывод работает в режиме ввода информации.
Используются варианты подключения внешнего вывода по схеме с открытым стоком (рисунок). Состояние внешнего вывода будет соответствовать состоянию подключённой к нему линии шины до тех пор, пока внешний вывод не будет переключён на работу в режиме вывода информации и установлен в состояние «0».
Такое подключение внешнего вывода позволяет создавать шины, в которых линии объединяют выходы устройств по схеме «монтажное И»: одноименные линии шины подключаются к напряжению питания через резистор. Если все МОП-транзисторы закрыты, то на линии высокий уровень напряжения . Если же хотя бы один ключ открыт, то на линии будет низкий потенциал.
23) Распространённый вид связи между различными системами – это последовательный обмен: байт данных передаётся по одному проводу бит за битом с обеспечением синхронизации между приёмником и источником данных. Существует очень много протоколов последовательной передачи данных, которые применяются в МП-средствах. Иногда эти протоколы реализуются схемами, расположенными на полупроводниковом кристалле МП-средства, что упрощает разработку различных приложений. Наиболее распространённый вид последовательного ввода-вывода данных –это асинхронный последовательный обмен. В этой форме связи байт данных пересылается как пакет, включающий информацию о начале и конце передачи данных, а также информацию для контроля ошибок.
Первым передаётся старт-бит, указывающий на начало передачи данных. После битов данных может следовать бит чётности (контрольный бит), который используется для проверки правильности полученных данных. Есть два типа проверки на чётность: проверка на нечётность (odd – нечётный) означает, что число единиц в пакете данных, включая бит чётности, должно быть нечётным. Проверка на чётность (even – чётный) означает, что число единичных битов должно быть чётным. За битом чётности следует стоп-бит, который используется приёмником для обработки конца передачи пакета.
Наряду с битами чётности или нечётности возможны другие варианты контрольных битов:
– «no» – означает отсутствие бита чётности в пакете;
– «mark» – означает, что вместо бита чётности всегда передаётся «1»;
– «space» – означает, что вместо бита чётности всегда передаётся «0».
Такие варианты контрольных битов используются редко – когда необходимо дать приёмнику дополнительное время на обработку пакета.
24) Наиболее известный протокол асинхронной последовательной связи – это протокол «RS-232», являющийся международным стандартом. Здесь асинхронный приёмник ждёт прихода старт-бита, когда на лини устанавливается низкий уровень напряжения. Через половину времени передачи одного бита (длительность этого интервала времени задаётся синхросигналом) линия опрашивается. Если на линии всё ещё удерживается низкий уровень сигнала, то приёмник ждёт ещё один период и считывает данные (рисунок).
Если же на линии оказывается высокий уровень сигнала, то приёмник считает, что произошла ошибка и данные не принимаются. Ещё один распространённый метод асинхронной последовательной передачи данных – это использование кода типа «Манчестер» (manchester). Здесь передача каждого бита данных синхронизируется импульсом, а значение бита «0» или «1» определяется промежутком времени до следующего импульса. После передачи заданного числа битов данных следует стоп-импульс, а затем приём данных прекращается
Особенность этого кодирования в том, что старт-бит качественно отличается от «0» или «1». Это позволяет приёмнику определить, являются ли поступающие данные началом или серединой посланного пакета. Манчестерское кодирование хорошо подходит для случаев, когда поток передаваемых данных может быть легко прерван посторонним фактором.
25. Существует два основных протокола для синхронной связи: Microwire («микро- провод») и SPI. Эти протоколы чаще используются для синхронной последователь- ной передачи данных, чем для объединения устройств в единую сеть. Они схожи, но и имеют различия.
Протокол Microwire обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Мбит/с. В одном передаваемом пакете находится 16 бит данных. На рисунке 3.6 показана временная диаграмма для чтения 16 бит данных в этом протоколе.
Протокол SPI. Этот протокол похож на протокол Microwire, но имеет ряд отли- чий:а) SPI способен передавать данные со скоростью до 3 Мбит/с; б) разрядность данных в SPI пакете равна 8 бит; в) передатчик в SPI имеет возможность приостановить передачу данных; д) данные в SPI могут передаваться в виде множества байтов, которые называются «блок» или «страница». Как и в предыдущем протоколе, в SPI сначала передаётся байт, который содержит команду для принимающего устройства. Затем идёт необязательный 16- разрядный адрес, после чего следуют 8-разрядные данные.
26. Наиболее популярный протокол для сети микроконтроллеров – это I2C, который предназначен для связи устройств в многопроцессорных системах. Кроме того, данный протокол позволяет разделять сетевые ресурсы между несколькими ведущими процессорами («multimastering»).
Шина I2С содержит две линии: линия SDA для передачи данных и линия SCL для передачи синхросигнала, который используется для стробирования данных. Обе линии подключены через резисторы к шине питания, за счёт чего на них держится высокий уровень напряжения до тех пор, пока на линию не выставляется «0» с низким уровнем напряжения. Это позволяет нескольким устройствам управлять их состоянием путём соединения по схеме «монтажное И».
27. Есть две максимальные скорости передачи данных по шине I2C: «стандартный режим» – до 100 Кбит/с и «быстрый режим» – до 400 кбит/с.
Данные передаются синхронным способом, причём первым посылается старший бит. После передачи 8 бит ведущее устройство переводит линию данных в «плавающее» состояние, ожидая подтверждения приёма данных от ведомого устройства. Таким подтверждением является установка ведомым устройством низкого уровня сигнала на линии SDA. После бита подтверждения на обеих линиях устанавливается низкий уровень. Затем производится пересылка следующего байта, или шина переводится в состояние конца передачи. Это означает, что передача завершена, и приёмник может готовиться к следующему циклу пересылки данных.
Формат команды, передаваемой ведущим устройством ведомому. Адрес получателя содержит 7 бит. Обычно (но не обязательно) четыре старших бита адреса используются для указания типа устройства, а следующие три бита используются для выбора одного из 8 устройств этого типа, или служат для более точного определения типа устройства.
Когда два устройства пытаются управлять шиной одновременно – инициировать процесс передачи данных несколькими ведущими МК «multimastering» – это может привести к возникновению коллизий. Если один МК уже взял управление шиной, установив на ней стартовое состояние, то попытка управления шиной со стороны другого МК будет блокирована. А если несколько МК инициирует стартовое состояние одновременно, то требуется произвести арбитраж их запросов. Для этого во время передачи данных оба передатчика точно синхронизируют тактовые импульсы. Если при передаче адреса бит, который должен иметь значение «1», на самом деле имеет значение «0», то это указывает на то, что шина занята другим устройством. В этом случае ведущее устройство отключается от шины и ждёт, когда наступит состояние «Конец передачи», после которого повторяет запрос.