Устройство портов.
Каждый из портов содержит регистр-защелку (SFR P0 — SFR P3), выходную цепь и входной буфер.
Рисунок 1.6 Устройство портов микроконтроллера 8051.
На рисунке изображены функциональные схемы регистров-защелок и буферов ввода-вывода всех портов микроконтроллера 8051. Каждый из разрядов регистра-защелки SFR является D-триггером, информация в который заносится с внутренней шины данных микроконтроллера по сигналу «Запись в SFR Pх» (х= 0, 1, 2, 3) от центрального процессорного элемента (CPU). С прямого выхода D-триггера информация мажет быть выведена на внутреннюю шину по сигналу «Чтение SFR Pх» от CPU, а с вывода микросхемы («из внешнего мира») по сигналу «Чтение выводов Pх». Одни команды активизируют сигнал «Чтение SFR PI», другие - «Чтение выводов РI».
Особенности электрических характеристик портов.
Выходные каскады триггеров SFR портов Р1 — РЗ выполнены на полевых транзисторах с внутренней нагрузкой, в то время как аналогичные каскады триггеров SFR P0—на транзисторах с открытым стоком. Каждая линия любого из портов может независимо использоваться как для ввода, так и для вывода информации (для линий портов P0 и Р2 это справедливо тогда, когда они не используются для обращения к внешней памяти).
Для перевода любой линии портов Р1 — РЗ в режим ввода информации необходимо в соответствующий разряд SFR занести 1. При этом выходной полевой транзистор отключается. Внутренний нагрузочный резистор как бы «подтягивает» потенциал вывода к напряжению питания, в то время как внешняя нагрузка может сделать его нулевым. Выходные каскады порта P0 имеют иную структуру. Нагрузочный полевой транзистор линии порта включен только тогда, когда порт выводит 1 при обращении к внешней памяти. В остальных случаях нагрузочный транзистор отключен. Таким образом, при работе в режиме обычного ввода-вывода информации (как, например, порт Р1) выходные каскады порт» P0 представляют собой ступени на транзисторах с открытым стоком. Запись 1 в соответствующий бит SFR отключает и второй транзистор, что приводит к тому, что вывод БИС оказывается под «плавающим» потенциалом. Это позволяет использовать линии порта P0 как выводы с высоко импедансным состоянием.
Поскольку выходные каскады портов P1 — P3 имеют внутреннюю нагрузку, при переводе в режим ввода информации они становятся источниками тока для микросхемы или транзистора, нагруженных на данный.
1.8 Таймеры-счетчики.
Большинство задач управления решаются в реальном времени. При этом микроконтроллер должен в определенные моменты времени выполнять определенные действия с объектом. Типовыми задачами такого плана считаются:
подсчет числа импульсов сигнала за фиксированный интервал времени;
формирование интервалов времени определенной длительности;
формирование периодических сигналов заданной частоты;
формирование широтно-модулированных сигналов;
формирование временных задержек;
измерение времени и др.
Любая из этих задач может выполнена программно, но в этом случае процессорное ядро вынуждено заниматься только подсчетом времени и все остальные задачи откладываются. Для разгрузки процессорного ядра от такой неэффективной работы микроконтроллеры снабжаются специальными схемами, получившими название таймеры-счетчики. Они могут быть использованы для подсчета тактовых импульсов фиксированной частоты либо для подсчета любых внешних импульсных сигналов. Считается, что в первом случае устройство выполняет функции таймера, во втором – счетчика.
В современных микроконтроллерах, кроме простейших функций подсчета импульсов, на таймеры-счетчики возлагают дополнительные функции:
функция захвата IC (Input Capture),
функция выхода сравнения OC (Output Compare),
широтно-импульсной модуляции PWM (Pulse-Width Modulation).
В режиме захвата содержимое таймера-счетчика в момент времени, задаваемый каким-либо внешним событием на входе захвата, запоминается в регистре данных и становится доступным для процессорного ядра. Одновременно формируется запрос на прерывание, сообщающий программе о готовности данных.
В режиме сравнения содержимое таймера-счетчика сравнивается с некоторым фиксированным числом, хранящимся в одном из регистров микроконтроллера. В момент равенства данных формируется сигнал на выходе захвата.
В режиме широтно-импульсной модуляции таймер-счетчик формирует последовательность импульсов определенной частоты, в которой длительность импульсов может быть изменена программно от 0 до периода последовательности.
Количество таймеров-счетчиков, интегрируемых на кристалл микроконтроллера, может быть различно. Для регулирования частоты входного сигнала таймеры снабжаются предделителями (Prescaler).