Principio de la microcomputadora de un solo chip (4): expansión del sistema e interfaz periférica

Cuando las funciones internas de la microcomputadora de un solo chip no pueden cumplir con los requisitos del sistema de aplicación, el proceso de conexión de los chips periféricos correspondientes fuera del chip para cumplir con los requisitos del sistema de aplicación se denomina expansión del sistema. A través de la tecnología de interfaz periférica, MCU puede controlar el tubo LED nixie, el teclado, la pantalla LCD y otros equipos externos, así como la conversión a / D y D / a, de modo que la MCU se pueda usar en un campo más amplio.51 La microcomputadora de un solo chip integra los componentes básicos de la computadora, como CPU, puerto de E/S, temporizador, sistema de interrupción y memoria, además de circuitos auxiliares simples como fuente de alimentación, circuito de reinicio y circuito único de reloj para formar un sistema mínimo que puede funcionar normalmente. El circuito se muestra en la siguiente figura.:

La microcomputadora de un solo chip 51 tiene una fuerte capacidad de expansión externa. La mayoría de los chips convencionales se pueden utilizar como circuito de expansión periférico de una microcomputadora de un solo chip. La expansión puede incluir expansión de memoria, expansión de puerto de E / S, expansión de memoria de interfaz de bus serie, etc. El bus (bus) es un canal común para la transmisión de información por CPU, memoria, entrada, salida y otros dispositivos en la computadora. Es un arnés de transmisión compuesto por cables. Varios componentes del host están conectados a través de él, y los dispositivos externos están conectados con el bus a través de los circuitos de interfaz correspondientes, formando así un sistema de hardware de computadora. De acuerdo con el tipo de información transmitida por la computadora, el bus de la computadora se puede dividir en bus de direcciones, bus de datos y bus de control, que se utilizan para transmitir datos, direcciones de datos y señales de control, respectivamente. El método de expansión del sistema de un solo chip La microcomputadora incluye un método de expansión en paralelo y un método de expansión en serie. El método de expansión paralelo utiliza el bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control de una microcomputadora de un solo chip para la expansión del sistema, mientras que el método de expansión en serie usa el bus SPI (interfaz periférica en serie) o el bus I2C (circuito interintegrado) para la expansión del sistema.

Las señales del bus del sistema contenidas en 51 microcomputadoras de un solo chip se muestran en la tabla anterior. Para reducir la cantidad de pines, se adopta la tecnología de multiplexación de tiempo compartido para la línea de datos y la línea de dirección en el bus de expansión de la microcomputadora de un solo chip de la serie 51. Además de ser un puerto de E / S general, el puerto P0 también puede sincronizar compartir multiplexar los 8 bits bajos (A0 A7) y las señales del bus de datos (d0 D7) de la señal del bus de direcciones de transmisión. Si transmite la señal de dirección baja de 8 bits o la señal de datos en un momento determinado, se indica mediante el estado de nivel del pin de cerveza. Además de ser un puerto de E/S general, el puerto P2 también puede transmitir los 8 bits altos (A8 A15) de la señal del bus de direcciones. Otras señales del bus del sistema son señales de control, que se generan con hardware al ejecutar diferentes instrucciones. En el uso real, la separación de la señal de dirección y la señal de datos se puede realizar mediante la conexión externa de un pestillo de 8 bits, como se muestra en el diagrama esquemático de circuito de separación de señal usando 74ls373 en la siguiente figura:

Durante la expansión del bus, dado que el ancho del bus de direcciones es de 16 bits, el rango máximo de direccionamiento directo de la ROM o RAM externa es de 64 KB, y sus direcciones pueden superponerse.

Al expandir el bus, lo primero que debe hacer es asignar el espacio de direcciones, es decir, dividir el espacio de direcciones de 64 KB en varias páginas del mismo tamaño a través del método de decodificación de direcciones. La línea de dirección inferior se utiliza para seleccionar las unidades de la página y la línea de dirección superior se utiliza para seleccionar las páginas. Diferentes dispositivos externos ocupan diferentes páginas. Una vez completada la asignación, debemos encontrar una manera de decodificar la dirección para facilitar el direccionamiento de la microcomputadora de un solo chip. Los métodos comunes de decodificación de direcciones incluyen el método de decodificación de direcciones completas y el "método de decodificación de direcciones parciales".

La decodificación de direcciones completas significa que todas las líneas de direcciones participan en la decodificación y el espacio de direcciones resultante es continuo. Cada unidad de datos corresponde a la dirección una por una, y la estructura de su circuito es generalmente compleja. Por ejemplo, si el tamaño de una página de almacenamiento es de 8 KB y el espacio de almacenamiento de 64 KB se va a dividir en 8 páginas, todas las direcciones de orden superior A13 A15 deben participar en la decodificación para generar 8 señales de selección de página independientes para formar un segmento de dirección continuo. que generalmente se realiza mediante 3-8 decodificadores, como se muestra en la siguiente figura: La decodificación parcial se refiere a que solo una parte de las direcciones participa en la decodificación. El espacio de direcciones obtenido es un segmento de direcciones discontinuo, que no cubre todo el espacio direccionable. Una unidad de datos puede corresponder a varias direcciones. Como se muestra a continuación: Otro método de selección de línea es una forma especial de método de decodificación parcial, es decir, sin decodificar la línea de dirección, la línea de dirección se usa directamente para bloquear la unidad de datos y el espacio de dirección obtenido también es discontinuo. Por ejemplo, sin un circuito de decodificación adicional, solo se usa la línea de dirección de orden superior para dividir el espacio de direccionamiento de 64 KB en varias áreas, como se muestra en la figura a continuación.:

Cuando 51 microcomputadoras de un solo chip acceden a la ROM externa, su bus de control solo se compone de ale, PSEN y EA. Cuando EA = 1, cuando la dirección a la que accede la microcomputadora de un solo chip excede el rango de la ROM en el chip, cambiará automáticamente al direccionamiento de la ROM fuera del chip. Se puede acceder a la ROM externa a través de la instrucción "MOVC a, @ a dptr". La relación lógica y el tiempo de las señales de control durante la ejecución de la instrucción se muestran en la siguiente figura: Cuando se usa la ROM de 32 KB extendida 2764, el diagrama de cableado es el siguiente: Cuando la microcomputadora de un solo chip 51 accede a la RAM externa, el bus de control se compone de cerveza, PSEN , RD y wr. Cuando se ejecutan las instrucciones "MOVX a, @ drtp" y "MOVX @ dptr, a", se realiza la operación de lectura y escritura de RAM externa. La relación lógica y el tiempo de las señales de control durante la ejecución de la instrucción se muestran en la siguiente figura:

Cuando se usa el chip SRAM 61128 para expandir la memoria RAM de 32 KB, el diagrama de cableado es el siguiente: el método de expansión del puerto de E / S en paralelo es básicamente el mismo que el de la expansión de la memoria RAM. La pantalla LED (diodo emisor de luz) es un dispositivo de visualización para mostrar campos compuestos por varios diodos emisores de luz. La pantalla LED de uso común tiene una pantalla digital de siete segmentos.

La pantalla digital LED de siete segmentos está compuesta por 8 diodos emisores de luz. Según las diferentes formas de conexión de los LED internos, se puede dividir en cátodo común y ánodo común. Los cátodos del LED de cátodo común están conectados entre sí, y los ánodos del LED de ánodo común están conectados entre sí. La conexión del circuito se muestra en la siguiente figura.:

Cuando se selecciona el tubo nixie de cátodo común, los cátodos de todos los LED se conectan entre sí y se conectan a tierra. Cuando el ánodo de un LED está conectado a un nivel alto, el LED correspondiente se encenderá. Por el contrario, cuando el cátodo de un LED está conectado a bajo nivel, el LED correspondiente se encenderá. Cada vez que se enciende un LED específico, el tubo nixie se puede usar para mostrar algunos números o símbolos. El tubo LED nixie tiene 8 bits, que es exactamente un byte. Es habitual tomar el byte de código de segmento correspondiente al segmento "a" como el bit más bajo. De esta forma, solo se pueden obtener diferentes visualizaciones ingresando diferentes códigos de segmento.

El modo de visualización del tubo LED nixie generalmente adopta una visualización dinámica, lo que ahorra el puerto de E/S. Sin embargo, en este método, solo se puede encender una pantalla en cualquier momento. Cuando hay muchos bits de visualización, se debe adoptar un código de escaneo dinámico. La frecuencia del escaneo dinámico tiene ciertos requisitos que no pueden ser percibidos por los ojos humanos. Si la frecuencia es demasiado baja, el LED parpadeará, y si la frecuencia es demasiado alta, el tiempo de iluminación de cada LED es demasiado corto y el brillo del LED es demasiado bajo para ser visto a simple vista. El programa a menudo utiliza el método de llamar a la subrutina de retardo para activar un determinado LED para que se encienda y mantenerlo durante unos varios minutos.

En el sistema de aplicación de microcomputadora de un solo chip, a menudo es necesario ingresar algunas instrucciones o parámetros a la microcomputadora de un solo chip, y los resultados de la operación de la microcomputadora de un solo chip a veces deben mostrarse a través de la pantalla externa o impresora para que el operador los entienda y los comprenda. dominar el estado de funcionamiento del microordenador de un solo chip a tiempo. Esto constituye una interfaz de interacción hombre-computadora. Debido a las características de la propia MCU, no puede tener componentes de interacción humano-computadora como teclado, pantalla e impresora, por lo que solo puede expandir estas funciones a través de su puerto de E/S. El teclado se puede dividir en teclado codificado y no codificado teclado. El reconocimiento de la tecla de cierre en el teclado codificado se realiza mediante hardware especial, mientras que el teclado no codificado se realiza mediante software. La microcomputadora de un solo chip generalmente adopta un teclado sin codificación. Los teclados utilizados en el sistema de microcomputadora de un solo chip son teclas elásticas mecánicas. Debido al efecto elástico de los contactos mecánicos, habrá fluctuaciones en el momento en que las teclas se cierren y salten. La fluctuación de tecla generalmente dura de 5 a 10 ms. Para que una clave se procese una sola vez, se debe eliminar el jitter de la clave. El jitter de la tecla se puede eliminar mediante software o hardware.

El flip-flop RS generalmente se usa para eliminar la fluctuación en el hardware, que necesita mejorarse en el circuito y es más complejo. El software es más simple para eliminar el parloteo. Cuando se detecta que una llave está cerrada, se vuelve a detectar después de un breve retraso. Si aún se detecta que la tecla está cerrada, se considera que la tecla está realmente cerrada. El teclado está conectado a la interfaz MCU de forma independiente y matricial. Cada tecla del teclado independiente está conectada por separado con un puerto de E / S, y el estado de entrada de cada tecla no se afecta entre sí. La microcomputadora de un solo chip puede juzgar qué tecla se presiona al detectar el nivel del puerto de E / S correspondiente. Sin embargo, cuando la cantidad de teclas es grande, ocupa más puertos de E/S. Cuando se requiere una gran cantidad de teclas, generalmente se adopta el modo de conexión de matriz. El teclado matricial se compone de líneas de fila y líneas de columna, por lo que a veces se le llama teclado determinante. La clave se encuentra en la intersección de las líneas de fila y columna, que están conectadas respectivamente con los puertos de E / S. El modo de conexión se muestra de la siguiente manera:

El método de reconocimiento del teclado de matriz generalmente adopta el método de escaneo. Por ejemplo, en una línea de columna, la salida de la línea de columna 0 es "0" y la salida de las otras tres líneas de columna es "1". Luego escanee el estado de la línea de fila a su vez. Si una línea de fila es "0", significa que se presiona la tecla en la intersección de la línea de fila y la línea de columna 0. Si todas las líneas son "1", no se presiona ninguna tecla. De manera similar, puede establecer la siguiente línea de columna en "0" a su vez, y las otras líneas de columna en "1" y escanear la línea de fila, para que pueda juzgar la posición de la tecla.

Historial de actualizaciones:*El primer borrador se completó el 28 de noviembre de 2017Enlace original