Princípio do Microcomputador de Chip Único (4): Expansão do Sistema e Interface Periférica

Quando as funções internas do microcomputador de chip único não podem atender aos requisitos do sistema aplicativo, o processo de conectar os chips periféricos correspondentes fora do chip para atender aos requisitos do sistema aplicativo é chamado de expansão do sistema. pode controlar o tubo de LED nixie, teclado, display LCD e outros equipamentos externos, bem como a / D e D / uma conversão, para que o MCU possa ser usado em um campo mais amplo. 51 microcomputador de chip único integra os componentes básicos do computador, como CPU, porta de E/S, temporizador, sistema de interrupção e memória, além de circuitos auxiliares simples como fonte de alimentação, circuito de reset e circuito único de clock para formar um sistema mínimo que possa funcionar normalmente. O circuito é mostrado na figura a seguir:

51 microcomputador de chip único tem forte capacidade de expansão externa. A maioria dos chips convencionais pode ser usada como circuito de expansão periférica de microcomputadores de chip único. A expansão pode incluir expansão de memória, expansão de porta de E/S, expansão de memória de interface de barramento serial e assim por diante. O barramento (barramento) é um canal comum para transmissão de informações pela CPU, memória, entrada, saída e outros dispositivos no computador. É um chicote de transmissão composto de fios. Vários componentes do host são conectados por meio dele, e dispositivos externos são conectados ao barramento por meio de circuitos de interface correspondentes, formando assim um sistema de hardware de computador. De acordo com o tipo de informação transmitida pelo computador, o barramento do computador pode ser dividido em barramento de endereço, barramento de dados e barramento de controle, que são usados ​​para transmitir dados, endereço de dados e sinal de controle, respectivamente. microcomputador inclui o método de expansão paralela e o método de expansão serial. O método de expansão paralela usa o barramento de endereço, barramento de dados e barramento de controle do microcomputador de chip único para expansão do sistema, enquanto o método de expansão serial usa barramento SPI (interface periférica serial) ou barramento I2C (circuito integrado) para expansão do sistema.

Os sinais de barramento do sistema contidos em 51 microcomputadores de chip único são mostrados na tabela acima. A fim de reduzir o número de pinos, a tecnologia de multiplexação de compartilhamento de tempo é adotada para linha de dados e linha de endereço no barramento de expansão do microcomputador de chip único da série 51. compartilhando multiplex os 8 bits baixos (A0 A7) e sinais de barramento de dados (d0 D7) do sinal de barramento de endereço de transmissão. Se ele transmite o sinal de endereço baixo de 8 bits ou sinal de dados em um determinado momento é indicado pelo estado de nível do pino ale. Além de ser uma porta de E/S geral, a porta P2 também pode transmitir os 8 bits altos (A8 A15) do sinal do barramento de endereço. Outros sinais de barramento do sistema são sinais de controle, que são gerados com hardware ao executar instruções diferentes. No uso real, a separação do sinal de endereço e sinal de dados pode ser realizada pela conexão externa de uma trava de 8 bits, conforme mostrado no diagrama esquemático de circuito de separação de sinal usando 74ls373 na figura a seguir:

Durante a expansão do barramento, como a largura do barramento de endereço é de 16 bits, a faixa máxima de endereçamento direto da ROM ou RAM externa é de 64 KB e seus endereços podem ser sobrepostos.

Ao expandir o barramento, a primeira coisa a fazer é alocar o espaço de endereçamento, ou seja, dividir o espaço de endereçamento de 64KB em várias páginas do mesmo tamanho através do método de decodificação de endereço. A linha de endereço baixo é usada para selecionar as unidades na página e a linha de endereço alto é usada para selecionar as páginas. Diferentes dispositivos externos ocupam páginas diferentes. Depois que a alocação estiver concluída, devemos encontrar uma maneira de decodificar o endereço para facilitar o endereçamento do microcomputador de chip único. Os métodos comuns de decodificação de endereço incluem o método de decodificação de endereço completo e o "método de decodificação de endereço parcial".

A decodificação de endereço completo significa que todas as linhas de endereço participam da decodificação e o espaço de endereço resultante é contínuo. Cada unidade de dados corresponde ao endereço um por um, e a estrutura de seu circuito é geralmente complexa. Por exemplo, se o tamanho de uma página de armazenamento é de 8 KB e o espaço de armazenamento de 64 KB deve ser dividido em 8 páginas, todos os endereços de ordem superior A13 A15 devem participar da decodificação para gerar 8 sinais de seleção de página independentes para formar um segmento de endereço contínuo, que geralmente é realizado pelo decodificador 3-8, conforme mostrado na figura a seguir: A decodificação parcial refere-se a que apenas uma parte dos endereços participe da decodificação. O espaço de endereçamento obtido é um segmento de endereçamento descontínuo, que não cobre todo o espaço endereçável. Uma unidade de dados pode corresponder a vários endereços. Como mostrado abaixo: Outro método de seleção de linha é uma forma especial de método de decodificação parcial, ou seja, sem decodificar a linha de endereço, a linha de endereço é usada diretamente para portar a unidade de dados e o espaço de endereço obtido também é descontínuo. Por exemplo, sem circuito de decodificação adicional, apenas a linha de endereço de alta ordem é usada para dividir o espaço de endereçamento de 64 KB em várias áreas, conforme mostrado na figura abaixo:

Quando 51 microcomputadores de chip único acessam a ROM externa, seu barramento de controle é composto apenas por ale, PSEN e EA. Quando EA = 1, quando o endereço a ser acessado pelo microcomputador de chip único exceder a faixa de ROM no chip, ele automaticamente se transformará em endereçamento ROM fora do chip. A ROM externa pode ser acessada através da instrução "MOVC a, @ a dptr". A relação lógica e o tempo dos sinais de controle durante a execução da instrução são mostrados na figura a seguir: Ao usar 2764 ROM estendida de 32 KB, o diagrama de fiação é o seguinte: Quando 51 microcomputadores de chip único acessam a RAM externa, o barramento de controle é composto de ale, PSEN , RD e wr. Quando as instruções "MOVX a, @ drtp" e "MOVX @ dptr, a" são executadas, é realizada a operação de leitura e escrita da RAM externa. A relação lógica e o tempo dos sinais de controle durante a execução da instrução são mostrados na figura a seguir:

Ao usar o chip SRAM 61128 para expandir 32 KB de ram, o diagrama de fiação é o seguinte: O método de expansão da porta de E / S em paralelo é basicamente o mesmo que o de expansão de ram. O display LED (diodo emissor de luz) é um dispositivo de exibição para exibição campos compostos por vários diodos emissores de luz. O display LED comumente usado possui display digital de sete segmentos.

O display digital LED de sete segmentos é composto por 8 diodos emissores de luz. De acordo com as diferentes formas de conexão dos LEDs internos, ele pode ser dividido em cátodo comum e ânodo comum. Os cátodos do LED de cátodo comum são conectados juntos e os ânodos do LED de ânodo comum são conectados juntos. A conexão do circuito é mostrada na figura abaixo:

Quando o tubo nixie de cátodo comum é selecionado, os cátodos de todos os LEDs são conectados e aterrados. Quando o ânodo de um LED estiver conectado em nível alto, o LED correspondente acenderá. Ao contrário, quando o cátodo de um LED estiver conectado em nível baixo, o LED correspondente estará aceso. Cada vez que algum LED específico é ligado, o tubo nixie pode ser usado para exibir alguns números ou símbolos. O tubo LED nixie tem 8 bits, que é exatamente um byte. É costume tomar o byte de código de segmento correspondente ao segmento "a" como o bit mais baixo. Desta forma, diferentes exibições podem ser obtidas apenas inserindo diferentes códigos de segmento.

O modo de exibição do tubo LED nixie geralmente adota exibição dinâmica, que economiza a porta de E/S. No entanto, neste método, apenas uma tela pode ser acesa a qualquer momento. Quando há muitos bits de exibição, o código de varredura dinâmica precisa ser adotado. A frequência da varredura dinâmica tem certos requisitos, que não podem ser percebidos pelos olhos humanos. Se a frequência for muito baixa, o LED piscará e, se a frequência for muito alta, o tempo de iluminação de cada LED é muito curto e o brilho do LED é muito baixo para ser visto a olho nu. O programa geralmente usa o método de chamar a sub-rotina delay para fazer um determinado led acender e mantê-lo por cerca de vários Ms.

No sistema de aplicação de microcomputador de chip único, muitas vezes é necessário inserir algumas instruções ou parâmetros para o microcomputador de chip único, e os resultados da operação do microcomputador de chip único às vezes precisam ser exibidos através do monitor externo ou da impressora para que o operador entenda e dominar o status de operação do microcomputador de chip único a tempo. Isso constitui uma interface de interação humano-computador. Devido às características do próprio MCU, ele não pode ter componentes de interação humano-computador como teclado, display e impressora, portanto só pode expandir essas funções através de sua porta de E/S. O teclado pode ser dividido em teclado codificado e não codificado teclado. O reconhecimento da tecla de fechamento no teclado codificado é realizado por hardware especial, enquanto o teclado não codificado é realizado por software. O microcomputador de chip único geralmente adota teclado sem codificação. Os teclados usados ​​no sistema de microcomputador de chip único são teclas elásticas mecânicas. Por causa do efeito elástico dos contatos mecânicos, haverá jitter no momento em que as teclas são fechadas e saltadas. O jitter da tecla geralmente dura 5 10ms. Para fazer com que uma chave seja processada apenas uma vez, o jitter da chave deve ser eliminado. O jitter da tecla pode ser eliminado por software ou hardware.

O flip-flop RS geralmente é usado para eliminar o jitter no hardware, que precisa ser aprimorado no circuito e é mais complexo. O software é mais simples para eliminar a vibração. Quando uma chave é detectada para ser fechada, ela é detectada novamente após um pequeno atraso. Se ainda for detectado que a tecla está fechada, considera-se que a tecla está realmente fechada. O teclado é conectado à interface MCU por independente e matriz. Cada tecla do teclado autônomo é conectada separadamente a uma porta de E/S, e o status de entrada de cada tecla não afeta uma à outra. O microcomputador de chip único pode julgar qual tecla é pressionada detectando o nível da porta de E/S correspondente. No entanto, quando o número de chaves é grande, ele ocupa mais portas de E/S. Quando é necessário um grande número de chaves, geralmente é adotado o modo de conexão matricial. O teclado de matriz é composto de linhas de linha e linhas de coluna, por isso às vezes é chamado de teclado determinante. A chave está localizada na interseção das linhas de linha e coluna, que são conectadas respectivamente às portas de E / S. O modo de conexão é mostrado a seguir:

O método de reconhecimento do teclado de matriz geralmente adota o método de digitalização. Shilling uma linha de coluna, por exemplo, a saída da linha de coluna 0 é "0", e a saída das outras três linhas de coluna é "1". Em seguida, verifique o status da linha de linha por sua vez. Se uma linha de linha for "0", significa que a tecla na interseção da linha de linha e linha de coluna 0 foi pressionada. Se todas as linhas forem "1", nenhuma tecla será pressionada. Da mesma forma, você pode definir a próxima linha da coluna como "0" e as outras linhas da coluna como "1" e digitalizar a linha da linha, para que você possa avaliar a posição da chave.

Histórico de atualizações:*O primeiro rascunho foi concluído em 28 de novembro de 2017Link original