Порти уведення/виводу
Кожний МК має деяку кількість ліній уведення/виводу, які об'єднані в 8-розрядні паралельні порти уведення/виводу РТх («х» – ім'я порту, використовуване в технічному описі). У карті пам'яті МК кожний порт уведення/виводу поданий регістром даних порту DPTx. У режимі уведення логічні рівні сигналів на лініях порту РТх відображаються нулями й одиницями у відповідних розрядах регістра DPTx. У режимі виводу дані, записані під керуванням програми в регістр DPTx, передаються на виводи МК, які відзначені як лінії порту РТх. Звертання до регістра даних DPTx здійснюється тими ж командами, що й звертання до комірок оперативної пам'яті. Крім того у багатьох МК окремі розряди портів можуть бути опитані командами бітового процесора.
Залежно від функцій, які реалізують ті або інші порти уведення/виводу, розрізняють наступні типи паралельних портів:
Односпрямовані порти, призначені у відповідності до специфікації МК тільки для уведення або тільки для виводу інформації.
Двонаправлені порти, напрямок передачі яких (уведення або вивід) визначається в процесі ініціалізації системи.
Порти з альтернативною функцією. Окремі лінії цих портів зв'язані з убудованими в МК периферійними пристроями, такими, як таймер, АЦП, контролери послідовних приємопередатчиків. Якщо відповідний периферійний модуль МК не використовується, то його виводи можна задіяти як звичайні лінії уведення/виводу. Навпроти, якщо модуль активізований, то приналежні йому лінії введення/виводу автоматично конфігуруються відповідно до функціонального призначення в модулі й не можуть бути використані як лінії уведення/виводу.
Порти зі змінюваною програмно керованою схемотехнікою вхідного буфера.
По суті, порти служать як пристрій узгодження масштабів часу, у яких функціонують об'єкт керування і ядро МК, що робить обробку інформації. Об'єкт керування й МПС на основі МК асинхронні стосовно один одного. Для якісного керування інформація з датчиків стану об'єкта має бути отримана в моменти часу, обумовлені поводженням об'єкта. Однак не завжди саме в ці моменти часу інформація може бути сприйнята МПС. У цьому випадку порти уведення/виводу виконують функцію накопичувача, що запам'ятовує стан об'єкта в один момент часу й передає його в процесор в інший момент часу. Розрізняють три типи алгоритмів обміну між МК і зовнішнім пристроєм через паралельні порти введення/виводу:
Режим простого програмного уведення/виводу.
Режим уведення/виводу зі стробуванням.
Режим уведення/виводу з повним набором сигналів квитування.
Схемотехнічні особливості буферів ліній уведення/виводу МК. По- перше, слід зазначити, що у всіх сучасних МК двонаправлені порти уведення/виводу виконані з можливістю незалежного завдання напрямку передачі кожної лінії. Об'єднання груп ліній у порти дозволяє організувати звертання до них як до комірок пам'яті, що зручно при організації обміну в паралельному форматі. Але якщо буде потреба, кожна лінія може бути сконфігурована індивідуально й обслужена командами бітового процесора, незалежно від інших ліній того самого порту введення/виводу. З огляду на цю обставину, схемотехника портів уведення/виводу розглядається на рівні однієї лінії.
Розрізняють три типи драйверів уведення/виводу:
Двонаправлені лінії, які настроюються на уведення або на вивід програмуванням біта в регістрі напрямку передачі DDPTx.
Квазідвонаправлені лінії, які не вимагають попередньої ініціалізації, але мають деякі особливості при зчитуванні.
Двонаправлені лінії з можливістю програмного підключення
«підтягаючих» резисторів.
Прикладом драйверів першого типу можуть бути драйвери ліній уведення/виводу МК НС05 і НС08 фірми Motorola (рис. 2.2).
Кожній лінії порту поставлений відповідно однойменний розряд регістра напрямку передачі DDPTx. Нульове значення розряду конфігурує лінію на уведення, одиничне – на вивід. Після скидання МК усі лінії настроєні на уведення. На рисунку 2.2 видно, що в режимі уведення безпосередньо в момент зчитування логічний рівень сигналу лінії PTx передається на внутрішню магістраль даних, минаючи регістр даних порту DPTx. У процесі читання стан лінії не запам'ятовується в регістрі DPTx, і, отже, кожне нове звертання до порту уведення може повертати нове значення. У режимі уведення транзистори VT1 і VT2 закриті, буфер перебуває у високоомному стані (Z-стан). Можлива ситуація, при якій операція читання непідключеного входу буде повертати нульове значення. Тому, якщо як джерело сигналу використовується відкритий колекторний вихід або релейний контакт, то рівень сигналу при розімкнутому контакті в загальному випадку не визначений. Для завдання одиничного логічного рівня сигналу при розімкнутому контакті варто підключити зовнішній
резистор, що звичайно позначають RPULLUP. У режимі виводу транзистори VT1 і VT2 управляються сигналом з виходу тригера регістра даних DPTx.
Прикладом квазідвонаправлених драйверів портів можуть служити порти МК Intel MCS-51 (рис. 2.3). Особливість цих драйверів полягає в тому, що при зчитуванні повертається значення, що дорівнює логічному добутку сигналу на лінії й вмісту однойменного тригера регістра даних порту DPTx. Із цієї причини ті розряди порту, які будуть зчитуватися, повинні бути попередньо встановлені в 1 командою запису в порт і лише потім прочитані. Квазідвонаправлені порти не мають регістра напрямку передачі й, отже, не повинні ініціалізуватися. Крім того драйвер лінії портів цього
типу містить «підтягуючий» резистор, тому операція читання розімкнутого контакту буде повертати 1.
Рисунок 2.2 – Схемотехніка двонаправленої лінії порту
Рисунок 2.3 – Схемотехніка квазідвонаправленої лінії порту
Драйвери ліній зі змінюваною схемотехнікою можуть бути виконані двома способами, однак переслідувана мета одна – скоротити кількість навісних елементів плати МП контролера. У першому випадку драйвер кожної лінії містить «підтягуючий до 1» резистор, що забезпечує рівень логічної одиниці на вході при розімкнутому контакті, у другому випадку драйвер доповнений «підтягуючим до 0» резистором , що здатний служити навантажувальним резистором датчика, вихідний каскад якого виконаний за схемою емитерного повторювача. Логіка керування убудованими
«підтягуючи ми» резисторами однакова для обох типів драйверів:
Підключення «підтягуючи» резисторов допускається апаратними засобами драйвера тільки при конфігуруванні лінії порту на уведення.
Спеціальний біт регістра конфігурації МК дозволяє програмне підключення «підтягуючих» резисторів на всіх лініях уведення одночасно, але не виконує це підключення.
Комутацією «підтягуючих» резисторів кожної лінії керує однойменний біт регістра вхідного опору PTUEx. Значення цього біта може багаторазово змінюватися в ході виконання прикладної програми, тим самим здійснюється динамічне керування вхідним опором лінії порту уведення й струмом споживання цієї лінії.
Звичайно не рекомендується залишати лінії не приєднаними до джерела сигналу. У цьому випадку знижується перешкодозахищеність. Тому якщо датчик являє собою релейний нормально розімкнутий контакт,
то не слід відключати резистор RPULLUP на час, коли стан датчика не опитується. Навпроти, якщо використовується релейний датчик з нормально замкнутим контактом, то з метою зниження споживаного струму «підтягуючий» резистор варто комутувати тільки на час опитування.
Розглядаючи особливості драйверів ліній уведення/виводу, не можна не зупинитися на понятті навантажувальної здатності лінії. Розрізняють лінії з нормальною й підвищеною навантажувальною здатністю. Якщо мова йде про нормальну навантажувальну здатність, то варто орієнтуватися на наступні цифри: I0 ВИХ =1.6...2.0 ма, I1 ВИХ = 0.4...2.0 ма= Типові значення
Х
підвищеної навантажувальної здатності: I0 ВИ =I1 ВИХ
=25 ма. Граничне
значення підвищеної навантажувальної здатності на сьогоднішній день становить I1 ВИХ = 60 ма для Microchip PIC 17. Варто помітити, що кількість виводів з підвищеною навантажувальною здатністю звичайно обмежено. Крім того в довідкових даних зазначений максимальний сумарний струм усіх ліній уведення/виводу, що обмежений тепловідводом корпуса МК.