47.Периферийные устройства микроконтроллеров: параллельные порты ввода/вывода, таймеры и процессоры событий, интерфейсы последовательного ввода/вывода.

Параллельные порты ввода/вывода

Каждый МК имеет некоторое количество линий ввода/вывода, которые объединены в 8-разрядные параллельные порты ввода/вывода РТх («х» – имя порта, используемое в техническом описании). Порты обозначают либо цифрами (РТ0, РТ1, РТ2 и т.д.), либо буквами латинского алфавита (РТА, РТВ, РТС и т.д.). В карте памяти МК каждый порт ввода/вывода представлен регистром данных порта DPTx.В режиме ввода логические уровни сигналов на линиях порта РТх отображаются нулями и единицами в соответствующих разрядах регистра DPTx. В режиме вывода данные, записанные под управлением программы в регистр DPTx, передаются на выводы МК, которые используются в качестве линий порта РТх. Обращение к регистру данных DPTx осуществляется теми же командами, что и обращение к ячейкам резидентной памяти. Кроме того, во многих МК отдельные разряды портов могут быть опрошены командами битовых операций.

С функциональной точки зрения различают следующие типы параллельных портов:

• однонаправленные порты, предназначенные в соответствие со спецификацией МК только для ввода или только для вывода информации;

• двунаправленные порты, направление передачи которых (ввод или вывод) определяется в процессе инициализации системы;

• порты с альтернативной функцией. Отдельные линии этих портов связаны со встроенными в МК периферийными устройствами, такими как таймер, АЦП, контроллеры последовательных интерфейсов. Если соответствующий периферийный модуль МК не используется, то его выводы можно задействовать как обычные линии ввода/вывода. Если модуль активизирован, то принадлежащие ему линии ввода/вывода автоматически конфигурируются в соответствии с функциональным назначением в модуле и не могут быть использованы в качестве линий ввода/вывода. Как однонаправленные, так и двунаправленные линии портов могут иметь альтернативную функцию.

Выходные каскады линий ввода/вывода часто называют драйверами (не путать с аналогичным обозначением программных средств). Различают следующие типы драйверов ввода/вывода:

1. двунаправленные линии, которые настраиваются на ввод или на вывод программированием бита в регистре направления передачи DDPTx. При работе в режиме ввода линия имеет высокое входное сопротивление;

2. двунаправленные линии, которые не требуют предварительной инициализации. В режиме ввода эти линии также имеют высокое входное сопротивление;

3. квазидвунаправленные линии, которые не требуют предварительной инициализации. В режиме ввода драйвер автоматически подключает подтягивающий к напряжению питания резистор;

4. двунаправленные линии с возможностью программного подключения подтягивающих резисторов.

В драйверах первого типа каждой линии порта поставлен в соответствие одноименный разряд регистра направления передачи DDPTx. Нулевое значение разряда конфигурирует линию на ввод, единичное – на вывод. После сброса МК все линии настроены на ввод. В режиме ввода непосредственно в момент считывания логический уровень сигнала линии передается на внутреннюю магистраль данных, минуя регистр данных порта DPTx. В процессе чтения линии ее состояние не запоминается в регистре DPTx и, следовательно, каждое новое обращение к порту ввода может возвращать новое значение. В режиме ввода линия находится в высокоомном состоянии (Z-состояние). Значение, которое будет возвращать операция чтения неподключенного входа, в общем случае не определено.

Особенность драйверов двунаправленных портов, которые не требуют инициализации, заключается в том, что при считывании возвращаемое значение равно логическому произведению сигнала на линии и содержимого одноименного разряда регистpa данных порта DPTx. По этой причине те разряды порта, которые будут считываться, должны быть предварительно установлены в 1 командой записи в порт и лишь затем прочитаны. Порты с рассматриваемой схемотехникой не имеют регистра направления передачи и, следовательно, не должны инициализироваться. При работе в режиме ввода линия имеет высокое входное сопротивление, но при чтении неподключенного входа возвращается 1.

Квазидвунаправленные драйверы отличаются от предыдущего драйвера тем, что на линии установлен внутренний подтягивающий резистор R_PULLUP. Поэтому входное сопротивление линии ввода не столь велико, как в двух предыдущих случаях, т.е. входной буфер линии не эквивалентен входу логического элемента. Поэтому драйвер с рассматриваемой схемотехникой и получил название квазидвунаправленного. Линии с этим типом драйвера не требуют инициализации, но для работы в режиме ввода, так же как и в предыдущем случае, необходимо предварительно записать в соответствующий разряд регистра данных 1.

Драйверы линий с изменяемой схемотехникой могут быть выполнены двумя способами. Однако преследуемая цель одна – сократить число навесных элементов. В первом случае драйвер каждой линии содержит подтягивающим к 1 резистор R_PULLUP, который обеспечивает уровень логической единицы на входе при неподключенном выводе. Во втором случае драйвер дополнен подтягивающим к 0 резистором R_PULLDOWN, который способен служить нагрузочным резистором датчика, выходной каскад которого выполнен по схеме эмиттерного повторителя.

Различают линии с нормальной и повышенной нагрузочной способностью. Если речь идет о нормальной нагрузочной способности, то следует ориентироваться на следующие цифры: I_вых0 = 1,6-2,0 мА, I_вых1 = 0,4-2,0 мА. Типовые значения повышенной нагрузочной способности: I_вых0 = I_вых1 = 25 мА. Предельное значение повышенной нагрузочной способности составляет: I_вых1 = 60 мА (Microchip PIC17). Число выводов МК с повышенной нагрузочной способностью обычно ограничено. Таймеры и процессоры событий

Модули таймера в 8-разрядных МК различных фирм имеют следующие особенности:

число каналов входного сравнения и выходного захвата (IС и ОС), которые реализованы в модуле таймера МК, может быть различно. Так, в МК Motorola семейства НС05 типовыми решениями являются модули 2IC+2OC или 1IC+1OC, и модуль таймера в составе МК всегда только один. МК Motorola семейства НС11 имеют в своем составе модуль таймера с конфигурацией 3IC+5OC;

• в ряде модулей каналы могут быть произвольно настроены на функцию входного захвата (IС) или выходного сравнения (ОС) при инициализации;

• счетчик модуля таймера может не иметь функции программного останова, т.е. он будет считать всегда. Поскольку в этом случае состояние счетчика нельзя синхронизировать с каким-либо моментом работы МПC, то такой счетчик характеризуют как свободно считающий (free counter);

• часто счетчик таймера не имеет опции тактирования внешним сигналом, т.е. не может работать в режиме счетчика событий.

Аппаратные средства таймера позволяют решить многие задачи управления в реальном времени. Однако процесс совершенствования алгоритмов управления предъявляет все новые требования к структуре МК. Как следствие, все более отчетливо проявляются ограничения модулей таймера:

• недостаточное число каналов сравнения и захвата, принадлежащих одному счетчику временной базы. В результате невозможно сформировать синхронизированные между собой многоканальные импульсные последовательности;

• фиксированная конфигурация каналов (или захват или сравнение) часто не удовлетворяет пользователя;

• с использованием средств выходного сравнения возможно формирование сигнала по способу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), однако несущая частота ШИМ сигнала тем меньше, чем больше вычислений требуется выполнять при реализации алгоритма управления и чем больше число ШИМ каналов требуется реализовать.

Следующий этап в развитии модулей подсистемы реального времени МК – модули процессоров событий.

Модуль процессора событий (рис. 72) содержит в себе 16-разрядный счетчик временной базы и некоторое количество универсальных каналов захвата/сравнения. Счетчик может тактироваться импульсной последовательностью с выхода программируемого делителя частоты тактирования внутренних магистралей f_BUS или внешним генератором. Счетчик имеет опции пуска/останова и сброса в 0. В некоторых моделях процессора событий счетчик временной базы доступен для чтения «на лету».

Режим чтения «на лету» предусматривает автоматическое копирование содержимого старшего и младшего байтов счетчика в специальные буферные регистры в момент выполнения операции чтения любого байта счетчика (старшего или младшего). Тогда при чтении второго байта счетчика возвращается код из соответствующего буферного регистра. Тем самым исключается ошибка считывания по причине изменения состояния счетчика временной базы за время чтения. Наиболее совершенные модели процессора событий 8-разрядных МК допускают изменение коэффициента счета счетчика временной базы

.

Рисунок 72 – Структура процессора событий

Универсальные каналы захвата/сравнения в процессоре событий полностью идентичны друг другу и в зависимости от программных настроек могут работать в одном из трех режимов:

• режим входного захвата;

• режим выходного сравнения;

• режим широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Первые два режимапо принципу действия ничем не отличаются от аналогичных режимов модуля таймера.

В режиме широтно-импульсной модуляции (рис. 73) на выводе PTxi МК формируется последовательность импульсов с периодом, равным периоду работы счетчикавременной базы. Длительность импульса (в некоторых моделях длительность паузы) прямо пропорциональна коду в регистре данных канала. Поскольку счетчик временной базы допускает изменение коэффициента счета, то одновременно может регулироваться и период широтно-модулированной импульсной последовательности.

Рисунок 73 – Принцип работы канала захвата/сравнения в режиме ШИМ

Режим ШИМ в различных моделях процессоров событий имеет существенные отличия. В некоторых МК код коэффициента заполнения имеет однобайтовый формат, следовательно, дискретность регулирования коэффициента заполнения составляет 1/256 периода ШИМ-сигнала. В других моделях МК код коэффициента заполнения имеет двухбайтовый формат и, следовательно, дискретность регулирования составляет 1/2¹⁶ периода ШИМ-сигнала.

Модули таймеров особенно со схемами захвата/сравнения – достаточно сложные устройства. Их функциональная гибкость в простейших системах управления часто оказывается избыточной. Поэтому в некоторых МК, выполненных в корпусах с небольшим количеством выводов (16 или 20), с целью снижения стоимости ИС реализуются упрощенные таймеры. Таймеры содержат постоянно считающий 8-разрядный счетчик с триггером переполнения и программируемый делитель частоты. Такие таймеры могут формироватьлишь метки реального времени с периодом следования, который определяется набором коэффициентов деления программируемого делителя частоты.

Контроллеры последовательного ввода/вывода

8-разрядные МК имеют в своем составе два контроллера последовательного обмена, а некоторые модели – дажетри.

Задачи, которые решаются средствами модуля контроллера последовательного ввода/вывода, могут быть условно разделены на три группы:

1. связь встраиваемой МПС с системой управления верхнего уровня: промышленным компьютером, программируемым контроллером, офисным компьютером. Наиболее часто для этих целей используются интерфейсы RS-232C, RS-485, USB;

2. связь с внешними по отношению к МК периферийными ИС встраиваемой МПС, а также с датчиками физических величин с последовательным выходом. Для этих целей используются интерфейсы SPI, I2C, а также нестандартные интерфейсы;

3. связь с локальной сетью в мультимикропроцессорных системах. В систе¬мах с числом МК до пяти обычно используют сети на основе интерфейсов I2C, RS-232C, RS-485 с собственными сетевыми протоколами верхнего уровня. В более сложных системах используется протокол CAN.

В состав 8-разрядных МК входят следующие модули контроллеров последовательных интерфейсов:

модуль универсального последовательного интерфейса USI (Universal Serial Interface). Может поддерживать протоколы асинхронного обмена для интерфейсов RS-232, RS-422, RS-485, а также синхронные протоколы интерфейсов SPI и I2C; модуль универсального асинхронного интерфейса UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter). Поддерживает протоколы асинхронного обмена интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485;

1. модуль универсального асинхронного интерфейса SCI (Serial Communication Interface). Модуль SCI характерен для МК фирмы Motorola. Является функциональным аналогом модулей типа UART, т.е. поддерживает протоколы асинхронного обмена для интерфейсов RS-232, RS-422 и RS-485;

2. модуль синхронного последовательного интерфейса SPI (Serial Peripheral Interface). Поддерживает протокол синхронного обмена, предложенный фирмой Motorola. Поэтому контроллер SPI входит в состав большинства моделей МК этой фирмы. В МК других производителей протокол SPI обычно реализуется в качестве альтернативного одному из модулей контроллеров последовательных интерфейсов;

3. модуль синхронного последовательного интерфейса I2C (Inter Integrated Circuit). Для МК фирмы Microchip характерна реализация аппаратными средствами одного и того же модуля протоколов SPI и I2C;

4. модуль контроллера CAN (Control Aria Network). Поддерживает стандартные протоколы обмена CAN сетей;

5. модуль контроллера USB (Universal Serial Bus).

Одноименные модули контроллеров последовательных интерфейсов даже одной фирмы-производителя имеют отличия в реализации для разных семейств МК. Однако эти отличия преимущественно сводятся к различию регистров специальных функций, которые обслуживают модуль. Меньше затрагивают алгоритмы функционирования одноименных модулей. И, по определению, все аналогичные модули обязательно реализуют на аппаратном уровне логику протокола обмена выбранного интерфейса.