Принцип одночипового микрокомпьютера (4): расширение системы и периферийный интерфейс

Когда внутренние функции микрокомпьютера с одним чипом не могут удовлетворить требования прикладной системы, процесс подключения соответствующих периферийных чипов вне чипа для удовлетворения требований прикладной системы называется расширением системы. Благодаря технологии периферийного интерфейса MCU может управлять светодиодной трубкой Nixie, клавиатурой, ЖК-дисплеем и другим внешним оборудованием, а также аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразованием, так что MCU можно использовать в более широкой области. 51 микрокомпьютер с одним чипом объединяет основные компоненты компьютера, такие как ЦП, порт ввода-вывода, таймер, система прерываний и память, а также простые вспомогательные цепи, такие как блок питания, схема сброса и единая схема часов, образуют минимальную систему, которая может нормально работать. Схема показана на следующем рисунке:

51 микрокомпьютер с одним чипом имеет широкие возможности внешнего расширения. Большинство обычных микросхем можно использовать в качестве периферийной схемы расширения микрокомпьютера с одной микросхемой. Расширение может включать в себя расширение памяти, расширение порта ввода-вывода, расширение памяти интерфейса последовательной шины и так далее. Шина (шина) — это общий канал для передачи информации процессором, памятью, вводом, выводом и другими устройствами в компьютере. Это жгут проводов, состоящий из проводов. Через него подключаются различные компоненты хоста, а внешние устройства подключаются к шине через соответствующие интерфейсные цепи, образуя аппаратную систему компьютера. В зависимости от типа информации, передаваемой компьютером, шину компьютера можно разделить на адресную шину, шину данных и шину управления, которые используются для передачи данных, адреса данных и сигнала управления соответственно. Метод расширения системы на одном чипе микрокомпьютер включает метод параллельного расширения и метод последовательного расширения. Метод параллельного расширения использует адресную шину, шину данных и шину управления однокристального микрокомпьютера для расширения системы, в то время как метод последовательного расширения использует шину SPI (последовательный периферийный интерфейс) или шину I2C (межинтегральная схема) для расширения системы.

Сигналы системной шины, содержащиеся в 51 однокристальном микрокомпьютере, показаны в таблице выше. Чтобы уменьшить количество контактов, технология мультиплексирования с разделением времени используется для линии данных и адресной линии в шине расширения одночипового микрокомпьютера серии 51. Порт P0 не только является общим портом ввода-вывода, но также может синхронизировать время. совместное мультиплексирование младших 8 бит (A0 A7) и сигналов шины данных (d0 D7) сигнала адресной шины передачи. То, передает ли он младшие 8 битов адресного сигнала или сигнала данных в определенное время, указывается состоянием уровня вывода ale. В дополнение к тому, что порт P2 является общим портом ввода-вывода, он также может передавать старшие 8 бит (A8 A15) сигнала адресной шины. Другими сигналами системной шины являются управляющие сигналы, которые генерируются аппаратно при выполнении различных инструкций. схема разделения сигналов с использованием 74ls373 на следующем рисунке:

При расширении шины, поскольку ширина адресной шины составляет 16 бит, максимальный диапазон прямой адресации внешнего ПЗУ или оперативной памяти составляет 64 КБ, и их адреса могут перекрываться.

При расширении шины первым делом нужно выделить адресное пространство, то есть разделить адресное пространство 64Кб ​​на несколько страниц одинакового размера методом декодирования адреса. Нижняя адресная строка используется для выбора блоков на странице, а старшая адресная строка используется для выбора страниц. Различные внешние устройства занимают разные страницы. После завершения распределения мы должны найти способ декодирования адреса, чтобы упростить адресацию микрокомпьютера с одним чипом. Общие методы декодирования адреса включают метод декодирования полного адреса и «метод декодирования частичного адреса».

Полное декодирование адреса означает, что в декодировании участвуют все адресные строки, а результирующее адресное пространство является непрерывным. Каждому блоку данных соответствует адрес один за другим, и структура его схемы обычно сложна. Например, если размер страницы хранения составляет 8 КБ, а пространство хранения 64 КБ должно быть разделено на 8 страниц, все старшие адреса A13 A15 должны участвовать в декодировании для генерации 8 независимых сигналов выбора страницы для формирования непрерывного сегмента адреса, который обычно реализуется декодером 3-8, как показано на следующем рисунке: Частичное декодирование означает, что в декодировании участвует только часть адресов. Полученное адресное пространство представляет собой прерывистый адресный сегмент, не покрывающий все адресное пространство. Блок данных может соответствовать нескольким адресам. Как показано ниже: Другой метод выбора строки представляет собой особую форму метода частичного декодирования, то есть без декодирования адресной строки адресная строка непосредственно используется для селекции блока данных, а полученное адресное пространство также является прерывистым. Например, без дополнительной схемы декодирования только старшая адресная строка используется для разделения адресного пространства 64 КБ на несколько областей, как показано на рисунке ниже.:

Когда 51 одночиповый микрокомпьютер обращается к внешнему ПЗУ, его управляющая шина состоит только из Ale, PSEN и EA. Когда EA = 1, когда адрес, к которому должен обращаться микрокомпьютер с одним чипом, превышает диапазон встроенного ПЗУ, он автоматически переключается на адресацию внешнего ПЗУ. Доступ к внешнему ПЗУ можно получить с помощью инструкции «MOVC a, @ a dptr». Логическая взаимосвязь и синхронизация управляющих сигналов во время выполнения инструкции показаны на следующем рисунке: При использовании расширенного ПЗУ 2764 емкостью 32 КБ схема подключения выглядит следующим образом: , RD и wr. При выполнении инструкций "MOVX a,@drtp" и "MOVX@dptr,a" выполняется операция чтения и записи внешней ОЗУ. Логическая взаимосвязь и синхронизация управляющих сигналов во время выполнения инструкции показаны на следующем рисунке.:

При использовании микросхемы SRAM 61128 для расширения оперативной памяти 32 КБ схема подключения выглядит следующим образом: Метод параллельного расширения порта ввода-вывода в основном такой же, как и при расширении оперативной памяти. Светодиодный (светоизлучающий диод) дисплей представляет собой устройство отображения для отображения. поля, состоящие из нескольких светодиодов. Широко используемый светодиодный дисплей имеет семисегментный цифровой дисплей.

Семисегментный светодиодный цифровой дисплей состоит из 8 светодиодов. В соответствии с различными формами подключения внутренних светодиодов их можно разделить на общий катод и общий анод. Катоды светодиода с общим катодом соединены вместе, а аноды светодиода с общим анодом соединены вместе. Схема подключения показана на рисунке ниже:

Когда выбрана газоразрядная лампа с общим катодом, катоды всех светодиодов соединяются вместе и заземляются. Когда анод светодиода подключен к высокому уровню, загорается соответствующий светодиод. Наоборот, когда катод светодиода подключен к низкому уровню, соответствующий светодиод будет гореть. Каждый раз, когда загорается какой-то определенный светодиод, трубку можно использовать для отображения некоторых чисел или символов. Светодиодная трубка имеет 8 бит, что составляет ровно один байт. В качестве младшего бита принято брать байт кода сегмента, соответствующий сегменту «а». Таким образом, разные дисплеи могут быть получены только путем ввода разных кодов сегментов.

Режим отображения светодиодной никси-трубки обычно использует динамическое отображение, что экономит порт ввода-вывода. Однако в этом методе в любой момент времени может гореть только один дисплей. Когда имеется много битов дисплея, необходимо использовать код динамического сканирования. К частоте динамического сканирования предъявляются определенные требования, не воспринимаемые человеческим глазом. Если частота слишком низкая, светодиод будет мерцать, а если частота слишком высокая, время свечения каждого светодиода слишком короткое, а яркость светодиода слишком низкая, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом. Программа часто использует метод вызова подпрограммы задержки, чтобы зажечь определенный светодиод и удерживать его в течение нескольких мс.

В прикладной системе микрокомпьютера с одним чипом часто необходимо вводить некоторые инструкции или параметры в микрокомпьютер с одним чипом, а результаты работы микрокомпьютера с одним чипом иногда необходимо выводить на внешний дисплей или принтер, чтобы оператор мог их понять и понять. своевременно контролировать состояние работы одночипового микрокомпьютера. Это представляет собой интерфейс взаимодействия человека с компьютером. Из-за характеристик самого MCU он не может иметь компоненты взаимодействия человека с компьютером, такие как клавиатура, дисплей и принтер, поэтому он может расширять эти функции только через свой порт ввода-вывода. Клавиатура может быть разделена на кодированную клавиатуру и некодированную. клавиатура. Распознавание закрывающей клавиши на кодированной клавиатуре осуществляется специальным оборудованием, а на некодированной клавиатуре — программным обеспечением. Одночиповый микрокомпьютер обычно использует некодирующую клавиатуру. Клавиатуры, используемые в одночиповой микрокомпьютерной системе, представляют собой механические эластичные клавиши. Из-за упругого эффекта механических контактов будет дрожание в момент замыкания и выдвижения клавиш. Дрожание ключа обычно длится 5 10 мс. Чтобы ключ обрабатывался только один раз, необходимо устранить дрожание ключа. Дрожание клавиш можно устранить с помощью программного или аппаратного обеспечения.

RS-триггер обычно используется для устранения джиттера в аппаратном обеспечении, которое требует улучшения в схеме и является более сложным. Программное обеспечение проще, чтобы устранить дребезжание. Когда обнаруживается, что ключ закрыт, он обнаруживается снова после небольшой задержки. Если ключ по-прежнему определяется как закрытый, считается, что ключ действительно закрыт. Клавиатура подключена к интерфейсу MCU независимым и матричным. Каждая клавиша автономной клавиатуры отдельно подключена к порту ввода-вывода, и состояние ввода каждой клавиши не влияет друг на друга. Микрокомпьютер с одним чипом может определить, какая клавиша нажата, определяя уровень соответствующего порта ввода-вывода. Однако при большом количестве ключей он занимает больше портов ввода-вывода. Когда требуется большое количество ключей, обычно применяется матричный режим подключения. Матричная клавиатура состоит из линий строк и строк столбцов, поэтому ее иногда называют детерминантной клавиатурой. Клавиша находится на пересечении линий строк и столбцов, которые соответственно связаны с портами ввода/вывода. Режим подключения показан следующим образом:

Метод распознавания матричной клавиатуры обычно использует метод сканирования. Например, в строке столбца вывод строки столбца 0 равен «0», а вывод остальных трех строк столбца равен «1». Затем поочередно сканируйте состояние строки строки. Если строка строки равна «0», это означает, что нажата клавиша на пересечении строки строки и строки столбца 0. Если все строки равны "1", клавиша не нажимается. Точно так же вы можете установить следующую строку столбца на «0» по очереди, а другие строки столбца на «1» и просканировать строку строки, чтобы вы могли оценить положение ключа.

История обновлений: * Первый черновик был завершен 28 ноября 2017 г. Исходная ссылка