مبدأ الحواسيب الصغيرة ذات الشريحة الواحدة (4): توسيع النظام والواجهة الطرفية

عندما لا تتمكن الوظائف الداخلية للحاسوب المصغر ذو الشريحة الواحدة من تلبية متطلبات نظام التطبيق ، فإن عملية توصيل الرقائق الطرفية المقابلة خارج الشريحة لتلبية متطلبات نظام التطبيق تسمى توسيع النظام. من خلال تقنية الواجهة الطرفية ، MCU يمكن التحكم في أنبوب LED nixie ولوحة المفاتيح وشاشة LCD وغيرها من المعدات الخارجية ، بالإضافة إلى تحويل a / D و D / a ، بحيث يمكن استخدام MCU في مجال أوسع. وحدة المعالجة المركزية ، ومنفذ الإدخال / الإخراج ، والمؤقت ، ونظام المقاطعة والذاكرة ، بالإضافة إلى الدوائر المساعدة البسيطة مثل مزود الطاقة ، ودائرة إعادة الضبط ، ودائرة الساعة الفردية لتشكيل نظام أدنى يمكنه العمل بشكل طبيعي. تظهر الدائرة في الشكل التالي:

51 حاسوبًا دقيقًا ذو شريحة واحدة لديه قدرة توسع خارجي قوية. يمكن استخدام معظم الرقائق التقليدية كدائرة توسيع محيطية للكمبيوتر الصغير ذي الشريحة الواحدة. يمكن أن يشمل التوسيع توسيع الذاكرة وتوسيع منفذ الإدخال / الإخراج وتوسيع ذاكرة واجهة الناقل التسلسلي وما إلى ذلك. الحافلة (الحافلة) هي قناة شائعة لنقل المعلومات عن طريق وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والمدخلات والمخرجات والأجهزة الأخرى في الكمبيوتر. إنه حزام نقل يتكون من أسلاك. يتم توصيل المكونات المختلفة للمضيف من خلاله ، ويتم توصيل الأجهزة الخارجية بالناقل من خلال دوائر الواجهة المقابلة ، وبالتالي تشكيل نظام أجهزة الكمبيوتر. وفقًا لنوع المعلومات التي يرسلها الكمبيوتر ، يمكن تقسيم ناقل الكمبيوتر إلى ناقل العنوان وناقل البيانات وناقل التحكم ، والتي تُستخدم لنقل البيانات وعنوان البيانات وإشارة التحكم على التوالي. يتضمن الحاسوب الصغير طريقة التوسع المتوازي وطريقة التوسع التسلسلي. تستخدم طريقة التوسيع المتوازي ناقل العنوان وناقل البيانات وناقل التحكم للحاسوب الصغير ذو الشريحة الواحدة لتوسيع النظام ، بينما تستخدم طريقة التوسع التسلسلي ناقل SPI (الواجهة الطرفية التسلسلية) أو ناقل I2C (الدائرة المتكاملة) لتوسيع النظام.

يتم عرض إشارات ناقل النظام الموجودة في 51 جهاز كمبيوتر صغير ذي شريحة واحدة في الجدول أعلاه. من أجل تقليل عدد المسامير ، تم اعتماد تقنية تعدد إرسال مشاركة الوقت لخط البيانات وخط العنوان في ناقل التوسعة المكون من 51 سلسلة من الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة ، بالإضافة إلى كونه منفذ إدخال / إخراج عام ، يمكن للمنفذ P0 أيضًا- تقاسم تعدد الإرسال المنخفض 8 بت (A0 A7) وإشارات ناقل البيانات (d0 D7) لإشارة ناقل عنوان الإرسال. ما إذا كان ينقل إشارة العنوان المنخفضة 8 بت أو إشارة البيانات في وقت معين يتم الإشارة إليه من خلال حالة مستوى ale pin. بالإضافة إلى كونه منفذ إدخال / إخراج عام ، يمكن لمنفذ P2 أيضًا إرسال 8 بتات عالية (A8 A15) لإشارة ناقل العنوان. إشارات ناقل النظام الأخرى هي إشارات تحكم ، يتم إنشاؤها باستخدام الأجهزة عند تنفيذ تعليمات مختلفة. في الاستخدام الفعلي ، يمكن تحقيق فصل إشارة العنوان وإشارة البيانات عن طريق التوصيل الخارجي لمزلاج 8 بت ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي لـ دائرة فصل الإشارة باستخدام 74ls373 في الشكل التالي:

أثناء توسيع الناقل ، نظرًا لأن عرض ناقل العنوان هو 16 بت ، فإن أقصى نطاق عنونة مباشر لذاكرة القراءة فقط أو ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية هو 64 كيلو بايت ، ويمكن تداخل عناوينها.

عند توسيع الناقل ، فإن أول ما يجب فعله هو تخصيص مساحة العنوان ، أي تقسيم مساحة العنوان 64 كيلوبايت إلى عدة صفحات من نفس الحجم من خلال طريقة فك تشفير العنوان. يتم استخدام سطر العنوان المنخفض لتحديد الوحدات في الصفحة ، ويتم استخدام سطر العنوان العالي لتحديد الصفحات. الأجهزة الخارجية المختلفة تشغل صفحات مختلفة. بعد اكتمال التخصيص ، يجب أن نجد طريقة لفك تشفير العنوان لتسهيل معالجة الحواسيب الصغيرة ذات الشريحة الواحدة. تتضمن طرق فك تشفير العنوان الشائعة طريقة فك تشفير العنوان الكامل و "طريقة فك تشفير العنوان الجزئي".

يعني فك تشفير العنوان الكامل أن جميع سطور العنوان تشارك في فك التشفير ، وأن مساحة العنوان الناتجة مستمرة. تتوافق كل وحدة بيانات مع العنوان واحدة تلو الأخرى ، وبنية دائرتها معقدة بشكل عام. على سبيل المثال ، إذا كان حجم صفحة التخزين 8 كيلو بايت وكان من المقرر تقسيم مساحة التخزين 64 كيلو بايت إلى 8 صفحات ، فيجب أن تشارك جميع العناوين عالية المستوى A13 A15 في فك التشفير لإنشاء 8 إشارات تحديد صفحة مستقلة لتشكيل مقطع عنوان مستمر ، والتي تتحقق عمومًا بواسطة مفكك الشفرة 3-8 ، كما هو موضح في الشكل التالي: يشير فك التشفير الجزئي إلى أن جزءًا فقط من العناوين يشارك في فك التشفير. مساحة العنوان التي تم الحصول عليها عبارة عن مقطع عنوان غير متصل ، ولا يغطي مساحة العنوان بالكامل. قد تتوافق وحدة البيانات مع عدة عناوين. كما هو موضح أدناه: طريقة اختيار سطر أخرى هي شكل خاص من طريقة فك التشفير الجزئي ، أي بدون فك تشفير سطر العنوان ، يتم استخدام سطر العنوان مباشرة لبوابة وحدة البيانات ، كما أن مساحة العنوان التي تم الحصول عليها غير متصلة. على سبيل المثال ، بدون دائرة فك تشفير إضافية ، يتم استخدام سطر العنوان عالي الترتيب فقط لتقسيم مساحة العنونة 64 كيلو بايت إلى عدة مناطق ، كما هو موضح في الشكل أدناه:

عندما يصل 51 حاسوبًا صغيرًا ذو شريحة واحدة إلى ذاكرة القراءة فقط الخارجية ، فإن ناقل التحكم الخاص به يتكون فقط من ale و PSEN و EA. عندما يكون EA = 1 ، عندما يتجاوز العنوان الذي سيتم الوصول إليه بواسطة الحواسيب الصغيرة ذات الشريحة الواحدة نطاق ذاكرة القراءة فقط على الشريحة ، فإنه سيتحول تلقائيًا إلى معالجة ذاكرة القراءة فقط خارج الشريحة. يمكن الوصول إلى ذاكرة القراءة فقط الخارجية من خلال التعليمات "MOVC a، @ a dptr". يوضح الشكل التالي العلاقة المنطقية وتوقيت إشارات التحكم أثناء تنفيذ التعليمات: عند استخدام ذاكرة ROM بسعة 2764 كيلو بايت ممتدة ، يكون مخطط الأسلاك كما يلي: عندما يصل 51 حاسوبًا صغيرًا ذو شريحة واحدة إلى ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية ، فإن ناقل التحكم يتكون من ale ، PSEN ، RD و wr. عند تنفيذ تعليمات "MOVX a و @ drtp" و "MOVX @ dptr" ، يتم تنفيذ عملية قراءة وكتابة ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية. يوضح الشكل التالي العلاقة المنطقية وتوقيت إشارات التحكم أثناء تنفيذ التعليمات:

عند استخدام شريحة SRAM 61128 لتوسيع ذاكرة الوصول العشوائي بسعة 32 كيلو بايت ، يكون مخطط الأسلاك كما يلي: طريقة توسيع منفذ الإدخال / الإخراج بالتوازي هي في الأساس نفس طريقة توسيع ذاكرة الوصول العشوائي. الحقول المكونة من عدة الثنائيات الباعثة للضوء. شاشة العرض LED المستخدمة بكثرة لها شاشة عرض رقمية بسبعة أجزاء.

تتكون شاشة العرض الرقمية LED ذات الأجزاء السبعة من 8 صمامات ثنائية باعثة للضوء. وفقًا لأشكال الاتصال المختلفة لمصابيح LED الداخلية ، يمكن تقسيمها إلى كاثود مشترك وأنود مشترك. يتم توصيل كاثودات الكاثود LED المشترك معًا ، ويتم توصيل الأنودات الخاصة بمصباح الأنود المشترك معًا. يظهر اتصال الدائرة في الشكل أدناه:

عند تحديد أنبوب nixie المشترك الكاثود ، يتم توصيل الكاثودات لجميع مصابيح LED معًا وتأريضها. عندما يتم توصيل أنود LED بمستوى عالٍ ، سيضيء مؤشر LED المقابل. على العكس من ذلك ، عندما يكون الكاثود الخاص بمصباح LED متصلاً بمستوى منخفض ، فسيتم إضاءة مؤشر LED المقابل. في كل مرة يتم فيها تشغيل بعض مؤشرات LED المحددة ، يمكن استخدام أنبوب nixie لعرض بعض الأرقام أو الرموز. يحتوي أنبوب LED nixie على 8 بتات ، وهو بالضبط بايت واحد. من المعتاد أخذ بايت كود المقطع المقابل للجزء "أ" باعتباره أقل بت. بهذه الطريقة ، يمكن الحصول على شاشات مختلفة فقط عن طريق إدخال رموز قطاعات مختلفة.

يعتمد وضع العرض لأنبوب LED nixie بشكل عام على عرض ديناميكي ، مما يوفر منفذ الإدخال / الإخراج. ومع ذلك ، في هذه الطريقة ، يمكن إضاءة شاشة واحدة فقط في أي وقت. عندما يكون هناك العديد من بتات العرض ، يجب اعتماد رمز المسح الديناميكي. إن تكرار المسح الديناميكي له متطلبات معينة لا يمكن أن تراها العين البشرية. إذا كان التردد منخفضًا جدًا ، فسيومض مؤشر LED ، وإذا كان التردد مرتفعًا جدًا ، يكون وقت الإضاءة لكل مؤشر LED قصيرًا جدًا ، كما أن سطوع مؤشر LED منخفض جدًا بحيث لا يمكن رؤيته بالعين المجردة. غالبًا ما يستخدم البرنامج طريقة استدعاء الروتين الفرعي للتأخير لبوابة أدت إلى إضاءة معينة والاحتفاظ بها لحوالي عدة.

في نظام تطبيق الحواسيب الصغيرة ذات الرقاقة الواحدة ، غالبًا ما يكون من الضروري إدخال بعض التعليمات أو المعلمات إلى الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة ، وفي بعض الأحيان تحتاج نتائج تشغيل الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة إلى إخراجها من خلال الشاشة الخارجية أو الطابعة حتى يفهمها المشغل و إتقان حالة تشغيل الكمبيوتر المصغر ذو الشريحة الواحدة في الوقت المناسب. هذا يشكل واجهة تفاعل بين الإنسان والحاسوب. نظرًا لخصائص MCU نفسها ، لا يمكن أن تحتوي على مكونات تفاعل بين الإنسان والكمبيوتر مثل لوحة المفاتيح والشاشة والطابعة ، لذلك يمكنها فقط توسيع هذه الوظائف من خلال منفذ الإدخال / الإخراج الخاص بها. يمكن تقسيم لوحة المفاتيح إلى لوحة مفاتيح مشفرة وغير مشفرة لوحة المفاتيح. يتم التعرف على مفتاح الإغلاق على لوحة المفاتيح المشفرة بواسطة أجهزة خاصة ، بينما تتحقق لوحة المفاتيح غير المشفرة بواسطة البرنامج. يعتمد الحاسب المصغر ذو الشريحة الواحدة بشكل عام لوحة مفاتيح غير مشفرة. لوحات المفاتيح المستخدمة في نظام الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة هي مفاتيح ميكانيكية مرنة. بسبب التأثير المرن للتلامسات الميكانيكية ، سيكون هناك تذبذب في الوقت الحالي عندما يتم إغلاق المفاتيح وظهورها. يستمر اهتزاز المفتاح بشكل عام لمدة 5 10 مللي ثانية. من أجل جعل المفتاح تتم معالجته مرة واحدة فقط ، يجب التخلص من اهتزاز المفتاح. يمكن التخلص من ارتعاش المفاتيح بواسطة البرامج أو الأجهزة.

عادةً ما يتم استخدام RS flip-flop للتخلص من الارتعاش في الأجهزة ، والذي يحتاج إلى تحسين في الدائرة وهو أكثر تعقيدًا. البرنامج أبسط للقضاء على الثرثرة. عند اكتشاف مفتاح مغلق ، يتم اكتشافه مرة أخرى بعد مهلة قصيرة. إذا كان المفتاح لا يزال مغلقًا ، فيُعتبر أن المفتاح مغلق بالفعل. يتم توصيل لوحة المفاتيح بواجهة MCU بواسطة مصفوفة ومستقلة. يتم توصيل كل مفتاح من مفاتيح لوحة المفاتيح المستقلة بمنفذ إدخال / إخراج ، ولا تؤثر حالة الإدخال لكل مفتاح على بعضها البعض. يمكن للحاسوب المصغر ذو الرقاقة الواحدة الحكم على المفتاح الذي يتم الضغط عليه من خلال الكشف عن مستوى منفذ الإدخال / الإخراج المقابل. ومع ذلك ، عندما يكون عدد المفاتيح كبيرًا ، فإنها تشغل المزيد من منافذ الإدخال / الإخراج. عند الحاجة إلى عدد كبير من المفاتيح ، يتم عادةً اعتماد وضع اتصال المصفوفة. تتكون لوحة مفاتيح المصفوفة من خطوط الصفوف وخطوط الأعمدة ، لذلك تسمى أحيانًا لوحة المفاتيح المحددة. يقع المفتاح عند تقاطع خطوط الصفوف والأعمدة ، والتي يتم توصيلها على التوالي بمنافذ الإدخال / الإخراج. يظهر وضع الاتصال على النحو التالي:

عادة ما تعتمد طريقة التعرف على لوحة مفاتيح المصفوفة طريقة المسح. شلن خط عمود ، على سبيل المثال ، ناتج خط العمود 0 هو "0" ، وخرج سطور الأعمدة الثلاثة الأخرى هو "1". ثم تفحص حالة خط الصف بدوره. إذا كان سطر الصف "0" ، فهذا يعني أنه تم الضغط على المفتاح الموجود عند تقاطع خط الصف وخط العمود 0. إذا كانت جميع الأسطر "1" ، فلن يتم الضغط على أي مفتاح. وبالمثل ، يمكنك تعيين سطر العمود التالي على "0" بدوره ، وخطوط العمود الأخرى على "1" ومسح خط الصف ، بحيث يمكنك الحكم على موضع المفتاح.

تحديث التاريخ: * تم الانتهاء من المسودة الأولى في 28 نوفمبر 2017 الرابط الأصلي