Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 03 8.6 Ajastin/laskuri (Timer/Counter) Ajastin/laskurin ytimenä on laskuri, joka koostuu yhdestä tai kahdesta 8-bittisestä rekisteristä, joita voi lukea ja kirjoittaa. Laskuria voidaan askeltaa kahdella vaihtoehtoisella tavalla. Askellukseen käytettävien pulssien perusteella piiri toimii joko aikaa mittaavana ajastimena tai tapahtumia laskevana laskurina. Tyypillisesti laskuri laskee ylöspäin ja kun laskuri pyörähtää ympäri nollille, se antaa keskeytyspyynnön CPU:lle. Kuva 8.7 esittää 6-bittisen laskuriin liittyviä termejä ja sen toimintaperiaatetta. Laskuria voi verrata pikku hiljaa täyttyvään vesisaaviin, josta tulee ylivuoto, kun se tulee täyteen. laskentapulssit ylivuoto keskeytyspyyntö CPU:lle täynnä (= FFFF) laskurin tämän hetkinen arvo laskurin maksimi kapasiteetti alkuarvoksi ladattu pohja-arvo tyhjä (= 0000) KUVA 8.7. Ylöspäin laskeva 6-bittinen laskuri. Ajastin-toiminto (Timer), askellus tehdään systeemikellolta tulevilla pulsseilla Ajastimella voidaan tehdä yksittäinen ajanlaskenta viiveen tuottamiseksi. Tyypillisesti tavoitteena on kuitenkin aikaansaada jatkuvasti käyvä reaaliaikakello, joka ajassa pysy-äkseen vaatii tasaisin väliajoin tulevia keskeytyspyyntöjä CPU:lle. Aina edellisen kes-keytyspyynnön tultua ajastin pitää virittää uudestaan, jotta seuraava keskeytys tulisi jälleen toivotun ajan kuluttua. Virittäminen tarkoittaa sopivan alkuarvon kirjoittamista laskurin sisällöksi. Tyypillisesti laskentaa ei siis aloiteta nollilta, vaan tietystä alkuarvosta, josta kuluu vaadittu aika keskeytyksen saamiseen. Ajastimen toimintaperiaatteesta riippuen uuden alkuarvon lataus voi taphtua joko ohjelmallisesti tai automaattisesti laitteistopohjaisesti. Laskuri-toiminto (Counter), askellus tehdään ulkoisesta tulosta tulevilla pulsseilla Laskettaessa tulevien pulssien määrää, laskenta voidaan aloittaa nollilta. Tietyn laskenta-ajan jälkeen luetaan laskurirekisterin arvo, joka on suoraan pulssien määrä. 8.7 805:n ajastin/laskuri 805:ssä on kaksi itsenäisesti toimivaa 6-bittistä ajastin/laskuria: Timer/Counter 0 ja. Laskenta tapahtuu aina ylöspäin, ja kun laskuri pyörähtää ympäri, se antaa keskeytyspyynnön. Laskureiden ytiminä ovat rekisterit TH0, TL0 sekä TH, TL (Timer High ja Timer Low). Näiden rekistereiden sisältö päivittyy siis automaattisesti laskennan edetessä. Käyttäjä voi myös itse lukea ja kirjoittaa näitä rekistereitä.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 04 Toimiessaan ajastimena CPU:n kellotaajuus automaattisesti jakautuu aina 2:lla ennen laskurille tuloa. Näin ollen 2 MHz:n kidetaajuudella saadaan laskentataajuudeksi tasan MHz, jolla saadaan tarkasti toteutettua vaikkapa millisekuntien ja sekuntien mittaus. Sekä ajastin- että laskuritoiminnossa voidaan käyttää neljää eri toimintamuotoa: 0,, 2 ja 3. Toimintamuodot valitaan TMOD-rekisterissä olevilla M0- ja M-biteillä. Yleisimmin käytetyt toimintamuodot ovat ja 2. Laskureiden toimintaa ohjataan TCON- ja TMOD-rekistereiden avulla kuvien 8.8 ja 8.9 mukaisesti. TCON-rekisteri tavuosoite 88H, bittiosoitettava TF TR TF0 TR0 IE IT IE0 IT0 TF timer :n ylivuotobitti, asettuu kun timer pyörähtää ympäri TR timer :n ON/OFF-bitti, timer käy, 0 timer ei käy TF0 timer 0:n ylivuotobitti, asettuu kun timer 0 pyörähtää ympäri TR0 timer 0:n ON/OFF-bitti, timer 0 käy, 0 timer 0 ei käy IE ulkoisen keskeytyksen reunan ilmasubitti IT keskeytyksen tyypin valinta, laskeva reuna, 0 0-taso IE0 ulkoisen keskeytyksen 0 reunan ilmasubitti IT0 keskeytyksen 0 tyypin valinta, laskeva reuna, 0 0-taso KUVA 8.8. 805:n Timer/Counter Control rekisteri, TCON. TMOD-rekisteri tavuosoite 89H, ei bittiosoitettava GATE C / T M M0 GATE C / T M M0 Timer Timer 0 GATE C / T M M0 laskennan ohjaus kovolla tai ohjelmalla kovo-ohjaus: kun GATE = ja TRx =, ajastin/laskuri käy vain, jos INTx-pinni = softaohjaus: kun GATE = 0, ajastin/laskuri käy vain, jos TRx = ajastimen tai laskurin valintabitti laskuri, laskee Tx-pinnin laskevia reunoja 0 ajastin, laskee systeemikellon tahdissa toimintamuodon valintabitti, muodon numeron MSB-bitti toimintamuodon valintabitti 0, muodon numeron LSB-bitti Ajastin/laskureiden toimintamuodot Nro M M0 Toiminta 0 0 0 3-bittinen ajastin/laskuri (MCS-48 -muoto) 0 6-bittinen ajastin/laskuri 2 0 8-bittinen ajastin/laskuri, automaattilataus 3 TL0:ssa 8-bittinen laskenta, ohjaus timer 0 biteillä TH0:ssa 8-bittinen laskenta, ohjaus timer biteillä ajastin/laskuri on poissa käytöstä KUVA 8.9. 805:n Timer/Counter Mode rekisteri, TMOD
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 05 Toimintamuoto on 6-bittinen laskentamuoto, jossa on ohjelmallinen alkuarvon lataus. Kuva 8.0 esittää Timer/Counter:stä toimintamuodossa. ohjaukseen käytettävät bitit C/T T-pinni oskillaattori /2 0 INT-pinni GATE TR ylivuoto & 0 laskentapulssit TF keskeytys TH (8bit) TL (8 bit) KUVA 8.0. 805:n Timer/Counter toimintamuodossa. Toimintamuoto 2 on 8-bittinen laskentamuoto, jossa on automaattinen laitteistopohjainen alkuarvon lataus. Kuva 8. esittää Timer/Counter:stä toimintamuodossa 2. ohjaukseen käytettävät bitit C/T T-pinni oskillaattori /2 0 INT-pinni GATE TR & ylivuoto 0 laskentapulssit TL (8 bit) uudelleenlataus TF TH (8 bit) keskeytys KUVA 8.. 805:n Timer/Counter toimintamuodossa 2. Toimintamuodossa 2 alempi laskurirekisteri TL toimii varsinaisena 8-bittisenä laskurina, jonka arvo muuttuu laskennan edetessä. Ylempi laskurirekisteri TH toimii alkuarvon varastona, jonka sisältö latautuu ympäripyörähdyksen jälkeen automaat-
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 06 tisesti uudeksi alkuarvoksi TL-rekisteriin. Ylivuoto TL-rekisterissä aiheuttaa siis sekä keskeytyspyynnön keskusyksikölle että uuden alkuarvon latautumisen TH-rekisteristä. Ohjausbitti C/ T määrää, onko Timer/Counter ajastin vai laskuri. Laskentapulssien kulku-reitillä oleva alempi kytkin kuvissa 8.0 ja 8. kuvaa sitä, pääseekö laskentapulssit lasku-rille vai ei, eli onko laskenta sallittu vai estetty. Hieman monimutkaisen ohjauslogiikan tavoite on, että sallinta ja estäminen voidaan tehdä joko ohjelmallisesti TR-bitin avulla tai laitteistopohjaisesti INT -pinnin kautta. GATEohjausbitin arvolla "0" saadaan tar-vittaessa INT -pinnin vaikutus eliminoitua pois. Jos INT -pinniä käytetään laskennan ohjaamisen, ei sitä voida enää yhtä aikaa käyttää erillisenä ulkoisena keskeytystulona. 8.8 Asynkroninen sarjaliitäntä RS-232 C RS-232 on EIA:n (Electronic Industries Association) standardi, RS = Recommended Standard. V.24 on sama asia CCITT:n (Comité Consultatif International de Téléphonie et Télégraphie) standardina. RS-232 / V.24 -standardista on käytetrty ilmaisua "Maailman epästandardein standardi". Alunperin RS-232 -liitäntä on tarkoitettu keskustietokoneen ja päätteiden väliseen liitäntään modeemien ja puhelinverkon välityksellä kuvan 8.2 mukaisesti. Tämän vuoksi liitännässä on vieläkin mukana joitain signaaleja, joiden nimet viittaavat puhelinverkon asioihin, kuten "Ring Indicator" ja "Data Carrier Detect". Alkuajoilta on peräisin myös RS-liitännän tuntemat kaksi laitetyyppiä: - DTE = Data Terminal Equipment = pääte - DCE = Data Communication Equipment = modeemi RS-232 -liitäntä pääte modeemi Data Terminal Equipment Data Communication Equipment DTE DCE puhelinverkkoon KUVA 8.2. RS-232 -liitännän alkuperäinen käyttö. Eri tyypin laitteet (DYE ja DCE) ovat liittimien nastajärjestykseltään toistensa peilikuvat. Niiden välille voi siis laittaa suoran kaapelin, jossa jokainen linja menee tietystä nastanumerosta toisen pään juuri samaan nastanumeroon. Jos RS-liitännällä liitetään yhteen kaksi saman tyypin laitetta, pitää niiden välille laittaa ristikaapeli, jossa tietyt signaaliparit menevät ristikkäin kahden nastanumeron kesken. Nykyisissä käyttösovelluksissa liitettävät laitteet eivät monestikaan luonteeltaan ole selvästi DTE- tai DCE-tyyppiä. Käytettäessä RS-liitäntää esimerkiksi tietokoneen ja tulostimen välillä onkin tarkasti selvitettävä, onko laitteissa DTE:n vai DCE:n mukainen nastajärjestys, jotta RS-kaapeli osattaisiin tehdä oikein.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 07 Alkuperäinen RS-liitin on 25-napainen D-liitin, jossa lähes jokaisessa navassa kulkee oma signaali. Nykyisin yleisin RS-liitin on 9-napainen D-liitin, jolloin käytössä on vain yleisimmät RS-signaalit. Usein 9-napaisenkin liittimen signaaleista jätetään osa käyttämättä. 9-napainen liitin yleistyi voimakkaasti IBM:n PC/AT-koneen myötä, jossa on 9-napainen DTE:n mukainen RS-liitin, kts taulukko 8.2. TAULUKKO 8.2. RS-liitännän yleisimmät signaalit. Signaali suunta DTE:n 9-nap. 25-nap. mukaan TxD Transmitted Data Lähtevä data lähtö 3 2 RxD Received Data Tuleva data tulo 2 3 GND Signal Ground Signaalimaa - 5 7 DTR Data Terminal Ready Päätelaite valmis lähtö 4 20 DSR Data Set Ready Modeemi valmis tulo 6 6 RTS Request to Send Lähetyspyyntö lähtö 7 4 CTS Clear to Send Lähetyslupa tulo 8 5 RI Ring Indicator Soiton ilmaisu tulo 9 22 CD Data Carrier Detect Kantoaallon ilmaisu tulo 8 Taulukossa 8.2 9-napainen liitäntä vastaa PC-koneen RS-liittimen signaaleja ja nastajärjestystä. On syytä huomata, että signaalit on pääasiassa nimetty DTE:n mukaan. Esimerkiksi signaali "Lähtevä data" on DCE-tyypin laitteessa tulosignaali. RS-liitännän data- ja kättelysignaaleilla on taulukon 8.3 mukaiset logiikkasopimukset. On syytä huomata, että datasignaalit ovat napaisuudeltaan "nurin perin" normaaliin ajatteluun verrattuna. TAULUKKO 8.3. RS-signaalien logiikkasopimus. Signaali Logiikkasopimus HIGH-tila (+ 5...+ 5 V) LOW-tila (- 5...- 5 V) Datasignaalit (TxD ja RxD) negatiivinen looginen "0" looginen "" Kättelysignaalit (DTR, DSR, RTS, CTS, RI, CD) positiivinen ON OFF Kättelylinjojen tarkka toiminta on hyvin tapauskohtaista, mutta yleissääntönä niistä voidaan sanoa: - Signaalit DTR ja DSR ovat korkeimman tason kättelysignaalit. Ne toimivat usein käyttöjännitteiden päälläolon ilmaisusignaaleina. - Signaalit RTS ja CTS ovat toisen tason kättelysignaalit. Ne voivat mennä aktiiviseksi jo samaan aikaan kuin DTR ja DSR, mutta niillä voidaan myös antaa vähän tarkempaa tietoa, milloin laite on valmis tiedonsiirtoon. - Signaalit RI ja CD ovat harvemmin käytettyjä ja niiden käyttö on tapauskohtaista. Useissa tilanteissa kättelysignaaleja ei tosiasiassa käytetä lainkaan, vaan datavuon ohjaus tehdään ohjelmallisesti esim. XON/XOFF-kättelyllä. Jotta laite ei jäisi turhaan odottamaan toimimattomien kättelysignaalien aktiiviseksi menemistä, voidaan
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 08 kaapeliliittimeen tehdä "aina tyytyväinen"-kytkentä, jolloin kaapelissa on vain kolme johdinta. Kuva 8.3 esittää DTE-tyypin liittimen "aina tyytyväinen"-kytkentää. TxD RxD DTR DSR RTS CTS RI CD GND TxD RxD GND KUVA 8.3. DTE-tyypin liittimen "aina tyytyväinen -kytkentä. Sulautetussa tietokoneessa RS-liitäntä toteutetaan yleensä ohjelmoitavalla sarjaliitäntäpiirillä eli UARTilla (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). UARTin lähdöt ja tulot eivät käsittele suoraan RS-signaaleja, vaan se lähettää ja vastaanottaa logiikkatasoisia signaaleja, joiden napaisuus on käänteinen RS-signaaleihin nähden. Sen vuoksi RS-liitännän toteutukseen tarvitaan erilliset RS-sovituspiirit, joilla tehdään jänitetasojen muunnos logiikkatasosta RS-tasoksi ja päinvastoin. Lisäksi sovituspiirit invertoivat kaikki RS-signaalit. Tyypillinen RS-liitännän toteutus on kuvan 8.4 mukainen. UART logiikkatasot RS-tasot RS-sovituspiiri(t) -2...+2 V 0...+5 V KUVA 8.4. RS-liitännän osat. Liitin RS-sovituspiirinä on helppoa käyttää yhdistettyä lähetin/vastaanotinpiiriä (esim. piiri MAX232 tai vastaava), joka tarvitsee vain +5 V:n käyttöjännitteen, josta se sisäisesti muodostaa 2 V:n jännitteet. Datalinjoissa tieto kulkee merkki kerrallaan. Yksi merkki koostuu seuraavista biteistä: - yksi START-bitti (looginen "0") - 7, 8 tai 9 databittiä järjestyksessä LSB ensin, MSB viimeisenä - mahdollinen pariteettibitti - tai 2 (tai,5) STOP-bittiä (looginen "") Tyypilliset nopeudet, joilla RS-liitäntä tietoja lähettää, ovat 200, 2400, 4800, 9600 ja 9 200 bittiä sekunnissa. Vastaanotin "herää henkiin" START-bitin etureunasta ja pyrkii sen jälkeen oman kellonsa tahdissa ottamaan jokaisesta tulevasta bitistä näytteen kunkin bitin keskeltä. Koska jokaisen bitin lähetys kestää jonkin aikaa, vastaanotin saa otettua tiedon oikein vastaan, vaikka lähettimen ja vastaanottimen nopeudet eivät olisikaan aivan tarkasti samat. Kuinka paljon saa olla heittoa? On syytä erityisesti huomata, että sarjamuotoisen signaalin napaisuus on erilainen sen mukaan, puhutaanko logiikka- vai RS-tasoisesta signaalista. ASCII-koodina lähetetyn
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 09 kirjaimen "K" (= 4B heksalukuna) aaltomuoto on esitetty kuvassa 8.5 UARTin nastasta mitattuna ja kuvassa 8.6 RS-liittimestä mitattuna. Liitännän asetukset ovat: 8 dataa, ei pariteettia, STOP. + 5 V 0 V 0 0 0 0 0 lepotila START LSB MSB STOP lepotila KUVA 8.5. "K"-kirjaimen muoto logiikkasignaalitasoilla. data + 2 V - 2 V 0 0 0 0 0 lepotila START LSB MSB STOP lepotila 8.9 805:n sarjaportti data KUVA 8.6. "K"-kirjaimen muoto RS-signaalitasoilla. 805:ssä on full duplex -sarjaportti, eli se voi lähettää ja vastaanottaa yhtä aikaa. Sen vastaanotin on puskuroitu niin, että se voi vastaanottaa jo seuraavaa merkkiä, vaikka edellistä ei ole vielä luettu vastaanottorekisteristä. Jos edellistä merkkiä ei ole ehditty lukea seuraavan merkin vastaanoton päättyessä, menetetään yksi vastaanotettu merkki. Sekä lähetys- että vastaanottorekisteri näkyvät käyttäjälle SBUF-rekisterinä, vaikka ne ovatkin todellisuudessa kaksi eri rekisteriä. SBUF-rekisterin kirjoittaminen kohdistuu lähetysrekisteriin ja lukeminen kohdistuu vastaanottorekisteriin. Sarjamuotoinen tieto lähetetään aina prosessorin TxD- ja vastaanotetaan RxD-pinnin kautta. Sarjaportilla on neljä eri toimintamuotoa, joista muodot,2, ja 3 noudattavat RS-232 -tiedonsiirron muotoja kuvan 8.7 mukaisesti. STARTbitti LSB D0 D STOP-bitti Databittejä 8 tai 9 KUVA 8.7. Sarjamuotoisen tiedon muoto toimintamuodoissa, 2 ja 3. Sarjaportin toimintaa ohjataan SCON-rekisterissä olevilla biteillä kuvan 8.8 mukaisesti. Kaikissa toimintamuodoissa lähetys käynnistyy sillä, että SBUFrekisteriin kirjoitetaan jotakin. Toimintamuodoissa, 2 ja 3 vastaanotto käynnistyy tulevasta START-bitistä, jos REN =. Myös PCON-rekisteri osittain vaikuttaa sarjaportin toimintaan kuvan 8.9 mukaisesti.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 0 SCON-rekisteri tavuosoite 98H, bittiosoitettava SM0 SM SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0 toimintamuodon valintabitti 0, muodon numeron MSB-bitti SM toimintamuodon valintabitti, muodon numeron LSB-bitti SM2 yhden prosessorin ympäristössä SM2 = 0, mahdollistaa monen prosessorin kommunikoinnin, jos SM2 = REN vastaanoton sallinta, sallittu, 0 estetty TB8 9. bitti, joka lähetetään toimintamuodoissa 2 ja 3 RB8 toimintamuodossa 0: ei käytössä toimintamuodossa, jos SM2 = 0: vastaanotettu STOP-bitti toimintamuodoissa 2 ja 3: vastaanotettu 9. bitti, TI lähetyksen keskeytysbitti toimintamuodossa 0: asettuu "":ksi 8. bitin lopussa muut toimintamuodot: asettuu "":ksi STOP-bitin alussa RI vastaanoton keskeytysbitti toimintamuodossa 0: asettuu "":ksi 8. bitin lopussa muut toimintamuodot: asettuu "":ksi STOP-bitin puolivälissä Sarjaportin toimintamuodot Nro SM0 SM Toiminta Baudinopeus 0 0 0 8-bittinen siirtorekisteri kellotaajuus/2 0 START + 8 bittiä + STOP muuteltavissa 2 0 START + 9 bittiä + STOP kellotaajuus/64 tai /32 3 START + 9 bittiä + STOP muuteltavissa KUVA 8.8. 805:n Serial Port Control rekisteri, SCON. PCON-rekisteri tavuosoite 87H, ei bittiosoitettava SMOD GF GF0 PD IDL SMOD Kaksinkertainen baudinopeus. Jos timer on baudigeneraattorina ja SMOD =, sarjaportin baudinopeus kaksinkertaistuu muodoissa, 2, ja 3. GF yleiskäyttöinen lippu GF0 yleiskäyttöinen lippu PD tehonsyötön sammutus, CPU pysähtyy, pois vain resetillä (vain CMOS IDL lepotila, CPU lepotilaan, pois resetillä tai keskeytyksellä versioissa) Baudinopeuden asetus KUVA 8.9. 805:n Power Control rekisteri, PCON. Toimintamuodossa 2 baudinopeudella (bit/s) on kaksi vaihtoehtoa seuraavasti: - PCON-rekisterin SMOD-bitti = 0 baudinopeus = kellotaajuus/64 - PCON-rekisterin SMOD-bitti = baudinopeus = kellotaajuus/32. Toimintamuodoissa ja 3 baudinopeus on muuteltavissa. Se määräytyy Timer/Counter:n ylivuototaajuudesta seuraavan kaavan mukaisesti. baudinopeus = 2 32 SMOD ( timer: n ylivuototaajuus)
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä Timer/Counter voidaan määritellä toimimaan missä toimintamuodossa hyvänsä ja joko ajastimena tai laskurina. Tyypillisesti se ohjelmoidaan toimimaan ajastimena toimintamuodossa 2, automaattisessa uudelleenlatauksessa. Tällaisessa tilanteessa baudinopeus määräytyy seuraavan kaavan mukaisesti. baudinopeus = 2 32 SMOD kellotaajuus 2 256 (TH) Yleensä Timer/Counter:n keskeytys pitää estää baudigeneraattorisovelluksissa. Jos halutaan saada hyvin alhainen baudinopeus, pitää Timer/Counter:n keskeytys sallia ja ohjelmoida ajastin toimimaan 6-bittisessä toimintamuodossa. Keskeytysohjelmassa sitten ladataan aina ajastimeen uusi alkuarvo ohjelmallisesti. 805:ssä yleisesti käytetty kidetaajuus 2,000 MHz on sellainen, että sillä ei saada aikaan 9600 bit/s -nopeutta. Alhaisempiakaan baudinopeuksia ei saada tarkasti aikaan, mutta niissä ero tarkkaan arvoon on niin pieni (< 5%), että yhteys saadaan toimivaksi. Sarjaliitännän kannalta hyvä kidetaajuus on,0592 MHz, jolla aikaansaadaan täysin tarkasti nopeus 9600 bit/s. 8.0 Pistematriisi LCD-näyttö Pistematriisi nestekidenäytöissä käytetään yleisesti Hitachi 44780 -näytönohjainpiiriä, jolloin näytön liitäntä CPU:lle päin on vakiomuotoinen. Vaikka näytön koko ja ulkomuoto vaihtelisivat huomattavastikin, niin niillä on hyvin yleisesti kuvan 8.20 mukainen liitäntärajapinta CPU:hun päin. enable RS R/W data0..7 + V GND - V 8 Yksi- tai kaksirivinen nestekidenäyttö enable = sallinta RS = Register Select rekisterin valinta R/W = Read / Write - V = negatiivinen käyttöjännite tarvitaan joissain malleissa KUVA 8.20. LCD-näytön liitäntä CPU:lle päin. Nestekidenäytölle voidaan pelkkien näytettävien merkkien lisäksi antaa myös komentoja, kuten näytön tyhjennys. Lisäksi näytöltä voidaan lukea sen sisäisessä näyttömuistissa olevia merkkejä. Ohjauslinjoihin pitää antaa taulukon 8.4 mukaiset tilat eri toimintoja tehtäessä. TAULUKKO 8.4. LCD-näytön ohjauslinjojen toiminta. RS R/W Enable toiminto 0 0 komentojen kirjoitus 0 BUSY-lipun lukeminen 0 datan (= näytettävän tiedon) kirjoitus datan lukeminen
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 2 CPU:lta ei saada suoraan näytön vaatimia ohjaussignaaleja, ei varsinkaan Enablesignaalia. Kun CPU suorittaa luku- tai kirjoitusjakson, se antaa RD- tai WR -linjassa "0":ssa käyvän pulssin. Näyttö sen sijaan vaatii Enable-signaaliin "":ssä käyvän pulssin sekä luku- että kirjoitustilanteessa. Näytön liitännässä tarvitaan siis sovituskytkentä, jolla CPU:n signaaleista muokataan näytön vaatimat signaalit. Kuvassa 8.2 on yksi mahdollinen kytkentä, jolla LCD-näyttö saadaan liitettyä CPU:hun. CPU CS WR RD osoite A & enable RS Yksi- tai kaksirivinen osoite A0 data D0 D7 8 R/W nestekidenäyttö KUVA 8.2. CPU:n ja LCD-näytön välinen liitäntä. Näytön datalinjat kytketään suoraan CPU:n dataväylälle. Enable-linjaan pitää tehdä sellainen kytkentä, että se menee "":ksi silloin kun näyttöä vastaava CS-signaali on aktiivinen (= "0") ja RD- tai WR-linja on "0":ssa. Tämä kytkennän tekeminen vaatii pienen apulogiikan käyttöä. Kuvassa 8.2 on yksi ratkaisu, mutta kätevämmin se saadaan tehtyä yhdellä NAND-piirillä, jossa on 4 kpl 2-tuloisia NAND-portteja. Miten? RS- ja R/W -signaaleihin voidaan ottaa tieto suoraan osoiteväylän alimmista biteistä A ja A0. Näin toimien näyttö näkyy CPU:lle neljässä peräkkäisessä osoitteessa, kantaosoite + 0...kantaosoite + 3. Näistä kahta osoitetta saa vain lukea ja toisiin kahteen osoitteeseen saa vain kirjoittaa. 8. Peräkkäisapproksimaatio AD-muunnin (Successive Approximation) Analogia/digitaali-muunninperiaatteita on monenlaisia. Jos muunnoksen nopeudelle ei aseteta suuria vaatimuksia, peräkkäisapproksimaatiomuunnin sopii hyvin mikroprosessoriin liitettäväksi. Muunnin voi olla erillinen piiri, esim. ADC0803, tai se voi olla integroituna itse mikrokontrolleripiirille, esim. 805-perheen piiri 80552. AD-muunnoksen liitännän CPU:hun tekee haasteelliseksi muunnoksen hitaus, yksi muunnos voi viedä aikaa 0 00 s. Muunnosaika on niin pitkä, että CPU ehtii sinä aikana suorittaa paljon käskyjä. AD-muunnin kannattaa siis liittää CPU:hun keskeytysperiaatteella. Pollausperiaatekin on tietysti mahdollinen, mutta se tuhlaa CPU:n aikaa turhaan odotteluun. Kuvassa 8.22 on esitetty peräkkäisapproksimaatiomuuntimen lohkotason rakenne. Signaalien nimet kuvaavat niiden toimintaa, todellisessa piirissä nimet voivat olla toiset. Muuntimen nimen voisi suomentaa "peräkkäisten arvausten" muuntimeksi. Muunnin selvittää nollilta alkaen digitaalisen sanan bitit yksi kerrallaan MSB-päästä lukien. Periaate on sama kuin orsivaakaa käyttävällä myyjällä, joka etsii vaa'an tasapainoa.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 3 Kokeillaan punnuksia suuremmasta pienempään päin, että minkä kestää laittaa mukaan ja mitkä jätetään pois. Digitaalisanassa jokainen bitti on kuin punnus, jonka painoarvo LSB-päähän mennessä on aina puolet edellisestä. AD-muunnin vaatii toimiakseen kellosignaalin, joka lopulta määrää muunnokseen kuluvan ajan. START READY kello Ohjauslogiikka Muunnosrekisteri Digitaalinen lähtö DA-muunnin U in KUVA 8.22. Peräkkäisapproksimaatio AD-muunnin. Yhden AD-muunnoksen tuloksen saaminen tapahtuu kolmessa vaiheessa:. Muunnoksen käynnistäminen. CPU kirjoittaa START-signaalin aktiiviseksi. 2. Muunnoksen suorittaminen ja valmiiksi saaminen. Muunnin antaa READY-tiedon, jota voidaan käyttää keskeytyspyyntönä CPU:lle. 3. Valmiin muunnostuloksen lukeminen. CPU lukee muunnostuloksen muuntimelta kuin minkä hyvänsä tiedon. CPU:n kannalta hidasta AD-muunninta käytettäessä on muistettava, että muuntimelta ei saa lukea tulosta, ennen kuin muunnin on ilmoittanut tuloksen olevan valmis. 8.2 PWM-DA-muunnin (Pulse Width Modulation) Yksinkertainen tapa toteuttaa DA-muunnin mikrokontrollerilla on käyttää PWMsignaalia, jolla voi ohjata esimerkiksi DC-moottorin nopeutta, lampun kirkkautta ja lämmittimen tehoa. PWM-lähdön pääperiaate on antaa pulssisuhteeltaan vaihtelevaa kanttiaaltoa kuvan 8.23 mukaisesti. Kun kanttiaallon taajuus on tarpeeksi suuri, ohjattava laite näkee PWM-signaalin näennäisesti DC-jännitteeltään vaihtelevana signaalina. Tarvittaessa voidaan DC-signaalin tasoittamiseen käyttää keskiarvon laskevaa integraattori-kytkentää. pulssisuhde 20 % 50 % KUVA 8.23. PWM-lähdön aaltomuoto. 80 %
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 4 Esimerkiksi 805-perheen kontrollerissa 80522 on valmiina kaksi PWM-lähtöä PWM0 ja PWM, jotka antavat logiikatasoisen lähtösignaalin. PWM-lähtöjen ohjaamiseen käytetään kolmea 8-bittistä ohjausrekisteriä: - PWM0 ja PWM: määrittää ""-pulssin leveyden - PWMP (prescaler): määrittää kanttiaallon taajuuden. PWM-signaali muodostetaan 8-bittisellä laskurilla, joka laskee jatkuvasti ylöspäin ja joka ympäripyörähdettyään aloittaa uudestaan nollilta. Lähdön tila on "", kun laskurin arvo on pienempi tai yhtä suuri kuin PWM-rekisterin arvo kuvan 8.24 mukaisesti. PWM-rekisterin arvo 00 255 00 yksi laskurin kierros KUVA 8.24. PWM-rekisterin vaikutus pulssisuhteeseen. PWM-signaalin taajuus asetetaan PWMP-rekisterillä seuraavan kaavan mukaisesti: f PWM 2 ( fosc PWMP) 255 2 MHz:n kiteellä saadaa PWM-signaalin taajuudeksi noin 92 Hz 23,5 khz. 8.3 Ohituskondensaattorit (Decoupling-, Bypass Capacitors) Käyttöjännitejohtojen tehtävänä piirikortilla on luonnollisestikin antaa piireille käyttöjännite ja syöttää piireille niiden tarvitsema virta. Jos piirit tarvitsevat suurta hetkellistä virtaa, voi käydä kuitenkin niin, että käyttöjännitejohdot eivät pystykään välittämään teholähteeltä tällaista lyhytkestoista virtapulssia. Syynä on se, että piirikortilla mutkitteleviin käyttöjännitejohtoihin muodostuu hajainduktanssia, joka vastustaa nopeita virtamuutoksia. Logiikkapiirien ja muisti- ja I/O-piirien suuri hetkellinen virran tarve voi syntyä ainakin seuraavista kahdesta syystä. Kapasitiivinen kuorma Jos piirin lähtöön on liitetty suuri kapasitiivinen kuorma, niin nopean toiminnan aikaansaamiseksi tämän kapasitanssin purkaminen ja lataaminen logiikkatilan muutoksen yhteydessä vaatii suurta hetkellistä virtaa. Tyypillinen tilanne, jolloin logiikkapiirin lähdössä on kapasitiivinen kuorma, on siirtolinjan ohjaaminen. Pitkään siirtolinjaan syntyy huomaamatta hajakapasitanssia, vaikka varsinaista kondensaattoria ei komponenttina logiikkapiirin kuormana olekaan. Kuva 8.25 esittää tätä tilannetta.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 5 logiikkapiirin lähtöaste I lataus "" "0" I purku KUVA 8.25. Kapasitiivisen kuorman lataus ja purkaminen. Logiikkapiirin lähtöaste Tavallinen logiikkapiirin lähtöaste koostuu käyttöjännite- ja maajohdon välissä olevista kahdesta sarjaan kytketystä transistorista, jotka toimivat ON/OFF-kytkiminä, kuten kuvasta 8.25 näkyy. Kun logiikkapiirin lähtö vaihtaa tilaansa "0" "" tai "" "0", muutostilanteessa molemmat transistorit ovat hetken yhtä aikaa johtavassa tilassa. Tällöin syntyy "oikosulku" käyttöjännite- ja maajohdon välille, minkä seurauksena piiri ottaa hetkellisen virtapiikin käyttöjännitteestä. Tämä piirin sisäisestä toiminnasta johtuva virtatarve on riippumaton lähtöön kytketystä kuormasta. Erityisen selvä virtapiikki tulee synkronisilla piireillä, joissa kaikki lähdöt vaihtavat tilaansa juuri samalla hetkellä. Piirien hetkellinen virran saanti voidaan varmistaa kytkemällä logiikkapiirin käyttöjännitenastojen välille kondensaattori, joka toimii nopeana paikallisena sähkövarastona. Piirin rinnalle kytkettävä ohituskondensaattori pitää liittää mahdollisimman lyhyillä ja suorilla johdoilla sen käyttöjännitenastoihin. Jos liitosjohdot ovat vähänkin pitemmät, kondensaattorin vaikutus eliminoituu, koska liitosjohtojen induktanssi tulee liian suureksi. Kuvassa 8.26 on esimerkki ohituskondensaattorin kytkemisestä. käyttöjännitejohtimien hajainduktanssi + V GND KUVA 8.26. Ohituskondensaattorin kytkeminen piirin rinnalle. Ohituskondensaattoreiden tarkka mitoittaminen on vaikeaa. Niiden lisääminen onkin vähän kuin vakuutuksen ottamista; kytkentä voi toimia ilmankin niitä, mutta varmuuden vuoksi kondensaattorit on syytä laittaa. Ohituskondensaattoreiden mitoitukselle voi käyttää esimerkiksi seuraavia nyrkkisääntöjä: - jokaiselle logiikkapiirille oma 0-00 nf keraaminen ohituskondensaattori, varsinkin synkronisille piireille, oskillaattoripiireille ja linjaohjaimille - SSI-tason piireille riittää yksi kondensaattori kahta piiriä kohti - jokaiselle piirikortille 0-00 F elektrolyyttikondensaattori piirilevykohtaiseksi "sähkön keskusvarastoksi".
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 6 8.4 Signaalien heijastukset Kahden logiikkapiirin välinen liitäntätilanne on yleisesti ottaen kuvan 8.27 mukainen. tiedon kulkusuunta Z 0 Z T log.piirin lähtö log.piirin tulo Z 0 on johtimen ominaisimpedanssi (tyypillisesti 80-200 piirilevyjohtimilla) Z T on johtimen pääteimpedanssi (= piirin tuloimpedanssi) KUVA 8.27. Kahden logiikkapiirin välinen liitäntä. Tarkastellaan kuvan 8.28 esittämää tilannetta, jossa logiikkapiirin lähtö vaihtaa tilaansa 0 V:sta 5 V:een. Kun etenevä "jännitereuna" V f saavuttaa pääteimpedanssin, heijastuu osa jännitteestä takaisin, jos pääteimpedanssi Z T ei ole sama kuin johtimen ominaisimpedanssi Z 0. Heijastunut jännite V r etenee johtimessa tiedon kulkusuuntaa vastaan ja johtimessa oleva kokonaisjännite on etenevän ja heijastuneen jännitteen summa. Z 0 Z T V r V f V r GND KUVA 8.28. Heijastunut jännite pääteimpedanssista. Kun tiedon kulun kannalta vastavirtaan etenevä heijastunut jännitereuna saavuttaa logiikkapiirin lähdön, syntyy taas heijastus, jos johtimen ja lähdöt impedanssit eivät ole samat. Johtimeen syntyy kahteen suuntaan heijastuvista jännitteistä vaimeneva värähtely, jonka kestoaika on muutaman johtimessa syntyvän etenemisviiveen suuruinen. Suurin heijastuneista jännitteistä on ensimmäinen pääteimpedanssista syntynyt heijastus, ja yleensä riittääkin tämän ensimmäisen heijastuneen jännitteen tarkastelu. Yleensä signaalien heijastumisista ei piirilevyllä tarvitse välittää, kun johtimien pituudet ovat enimmillään luokkaa 0 cm. Näin lyhyillä johtimillä heijastukset ehtivät tapahtua sinä aikana, kun logiikkapiirin lähtö on itsekin vielä vaihtamassa tilaansa. Jos liitäntäjohdin on niin pitkä, että logiikkapiirin lähtö ehtii stabiloitua uuteen tilaansa ennen kuin ensimmäinen heijastus tulee lähtöön, pitää heijastukset ottaa tarkempaan tarkasteluun. Johdinta, jossa heijastukset on otettava huomioon, kutsutaan siirtolinjaksi. Siirtolinja on siis johdin, jonka yhdensuuntainen etenemisviive on vähintään puolet logiikkapiirin lähdön muutosajasta. Siirtolinjalle ei ole olemassa yksiselitteistä pituutta.
Luku 8 / Kehittynyt I/O-liitäntä 7 Siirtolinjaksi tulkittavan johtimen pituus riippuu käytetyn logiikan muutosnopeudesta sekä signaalin etenemisnopeudesta v johtimessa, jolle pätee kaava: v c r c = valon nopeus (3 0 8 m/s) r = johtimen eristeaineen suhteellinen permittiivisyys ( 4,5 piirilevyllä) Heijastuneelle jännitteelle V r pätee alla oleva kaava, jonka perusteella heijastuneen jännitteen suuruudelle saadaan kolme päätapausta taulukon 8.5 mukaisesti. t 0 V V Z Z r f Z Z t 0 V f on etenevä jännitereuna Z 0 on johtimen ominaisimpedanssi Z T on johtimen pääteimpedanssi TAULUKKO 8.5. Pääteimpedanssista heijastuneen jännitteen kolme päätapausta. Siirtolinjan pääte Pääteimpedanssi Heijastunut jännite Kokonaisjännite Oikosulku Z T = 0 V r = - V f 0 avoin pää Z T = V r = + V f 2 V f oikein päätetty Z T = Z 0 V r = 0 V f Nykyisin yleisesti käytetyn CMOS-logiikan tuloimpedanssi on hyvin suuri, vastaten miltei avointa päätä. Heijastusten kannalta CMOS-logiikan suuri tuloimpedanssi on huono ominaisuus. Siirtolinjojen yhteydessä CMOS-logiikan tulon eteen pitääkin lisätä erillisiä päätevastuksia, joilla pääteimpedanssi saadaan pienennettyä. Päätevastusten kytkeminen voidaan tehdä periaatteessa kolmella tavalla kuvan 8.29 mukaisesti. ylösvetovastus alasvetovastus ylös- ja alasvetovastus linjan lepotila "" linjan lepotila "0" kuormittaa vähemmän lähetintä KUVA 8.29. Eri tavat kytkeä päätevastus. Jos sovitus tehdään heijastusten suhteen täydelliseksi (Z T = Z 0 00 ), pitää vastusten olla melko pieniä. Ne puolestaan kuormittavat siirtolinjan lähetintä melkoisesti, jolloin myös teholähde kuormittuu. Tämän vuoksi sovitusta ei yleensä saadakaan täydelliseksi, vaan tyydytään jonkinlaiseen kompromissiin heijastusten ja tehonkulutuksen suhteen. Päätevastukset edustavat passiivista kytkentää, mutta siirtolinjan päättäminen voidaan tehdä myös aktiivisesti puolijohteiden ja jännitelähteiden avulla. Tällöin sovitus voidaan saada heijastusten suhteen optimaaliseksi ilman että se kuormittaa lähetintä.