3. Пример построения схемы мпс

3.1. Постановка задачи

Построить на базе AT90CAN128 структурную схему микропроцессорной системы (МПС) со следующей организацией:

• ВПД – 8Кх8 (использовать микросхемы ОЗУ емкостью 4Кх1);

• I8251, I8253, I8255 подключить в адресное пространство внешней памяти данных;

• I8255 (2 микросхемы) подключить в отдельное адресное пространство.

Отечественные аналоги I8251, I8253, I8255 – КР580ВВ51, КР580ВВ53, КР580ВВ55 соответственно. Описание микросхем внешних устройств и микросхем памяти можно найти в [6, 7, 8, 9]. Микросхемы, входящие в состав микропроцессорной системы, связаны посредством системной шины. Системная шина включает в себя линии адреса (шину адреса), линии данных (шину данных), линии управления (шину управления).

3.2. Организация шины адреса

При обращении к внешней памяти данных шестнадцатиразрядный адрес внешней памяти выставляется в порты A (младшая часть) и C (старшая часть) AT90CAN128. Это происходит в процессе выполнения указанных команд в фазе адреса. Далее в фазе данных через порт A считываются или записываются данные. Если не принять дополнительных мер, адрес внешней памяти, выставленный в порт A, будет стерт данными и команда обращения к внешней памяти не сможет нормально выполниться. Чтобы этого не произошло, в схему МПС вводится дополнительный регистр-защелка RG (74HC373), на котором защелкивается адрес из порта A по сигналу ALE, отмечающему фазу адреса команды. Информация из порта C подается на двунаправленный шинный формирователь SHF1 (I8286, аналог КР580ВА86/87).

Шинный формирователь предназначен для увеличения нагрузочной способности выводов микропроцессорных БИС. Когда на входе Т высокий уровень и на ОЕ – низкий, шинный формирователь обеспечивает подключение входов А0 – А7 к выходам В0 – В7 (в этом случае информация передается от А к В). Когда на входе Т низкий уровень и на ОЕ – низкий, шинный формирователь обеспечивает подключение входов В0 – В7 к выходам А0 – А7 (в этом случае информация передается от В к А). Если на ОЕ высокий уровень, выходы микросхемы в высокоимпедансном состоянии. В рассматриваемой системе шинный формирователь SH1 всегда передает информацию от А к В, так как на его входе Т зафиксирован высокий уровень.

Выходы SHF1 (седьмой разряд – старший) образуют старший байт шины адреса, выходы RG – младший байт шины адреса (седьмой разряд – старший). Таким образом, сформирована шестнадцатиразрядная шина адреса (рисунок 2.3).

3.3. Организация шины данных

При исполнении команд обращения к внешней памяти в фазе данных микроконтроллер обменивается данными с памятью через порт A. Выводы порта A подключаются к шинному формирователю SF2.

SHF2 работает только если есть обращение к внешней памяти: либо активный уровень (нулевой) сигнала , либо активный уровень (нулевой) сигнала . Сигнал вырабатывается при выполнении команд, записывающих данные во внешнюю память данных на выводе PG0 микроконтроллера (альтернативная функция порта G). Сигнал вырабатывается при выполнении команд, считывающих данные во внешнюю память данных на выводе PG1 микроконтроллера (альтернативная функция порта G).

SHF2 передает информацию от входов А к выходам В (T=1) только если исполняется команда записи во внешнюю память данных (из памяти программ возможно только считывание).

В случае считывания данных из внешней памяти программ или внешней памяти данных SHF2 передает информацию от входов В к выходам А (T=0, так как сигнал в данном случае не вырабатывается).

Выводы SHF2 образуют шину данных МПС (седьмой разряд – старший). Таким образом, сформирована восьмиразрядная шина данных (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Организация шин адреса, данных и подключения периферийных устройств непосредственно к портам микроконтроллера

Микроконтроллеры AVR допускают подключение периферийных микросхем в отдельное адресное пространство (пространство внешних устройств).

Сигналы выбора микросхемы, чтения и записи, линии данных в этом случае должны быть отличны от сигналов, используемых для обращения к ВПД. Обычно для этих целей используют не занятые порты и выводы микроконтроллера. Обращение к периферийной микросхеме в случае подключения в отдельное адресное пространство состоит в выполнении последовательности команд по установке используемых портов и выводов в требуемое состояние.

Пример подключения двух микросхем I8255 (программируемый параллельный интерфейс) в адресное пространство внешних устройств приведен на рисунке 2.3. Подсистемы ВПП и ВПД на рисунке 2.3 подразумеваются, но не изображены, чтобы не загромождать чертеж.

В качестве шины данных подсистемы ВУ используется порт B. Необходимо помнить, что если количество микросхем ВУ, подключенных к порту B, превышает нагрузочную способность выводов порта, то в схему дополнительно нужно ввести шинный формирователь для увеличения нагрузочной способности выводов порта B.

Адрес одного из четырех внутренних регистров (АРВУ) микросхемы I8255 выбирается комбинацией сигналов на выводах D0, D1 микроконтроллера. Значение адреса на указанных выводах формируется программно.

В качестве управляющих линий записи (WRIO) и чтения (RDIO) для подсистемы ВУ используются выводы D4, D5 микроконтроллера. Для осуществления записи (чтения) надо программно сформировать низкий уровень на выводе D4 (D5).

Выбор PPI1 осуществляется низким уровнем на выводе D2 (CS1) микроконтроллера. Выбор PPI2 осуществляется низким уровнем на выводе D3 (CS2) микроконтроллера. Оба сигнала формируются программно. Для осуществления записи (чтения) в регистры микросхемы I8255 требуется, чтобы длительность сигнала записи (чтения) была не менее 500 нс.

Если в подсистему внешних устройств входит несколько микросхем ВУ, а количество свободных выводов микроконтроллера ограничено, то сигналы выбора микросхемы ВУ можно подать на дешифратор подобно тому, как это сделано в подсистеме ВПД. Например, если линии CS1, CS2 подать на входы дешифратора, то в подсистему ВУ можно подключить четыре микросхемы ВУ, каждая из которых будет выбираться соответствующим выходом дешифратора.

Если при добавлении микросхем ВУ в подпространство ВУ нагрузочная способность выводов порта D будет превышена, возникнет необходимость ее увеличить любым из известных способов.

Описанный вариант организации подпространства ВУ возможен только если альтернативные функции выводов D0 – D5 порта D микроконтроллера AT90CAN128 [5] не используются в системе. В противном случае необходимо выбирать другие незадействованные линии портов. Использование для указанной цели портов A и C не рекомендуется, так как они используются для организации шины данных и шины адреса ВПД.