Bài giảng Chương 5: Digital Interfacing

Chia sẻ: Đinh Gấu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

62
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo "Bài giảng Chương 5: Digital Interfacing" để nắm bắt được những nội dung về cách ghép nối hệ trung tâm với thiết bị ngoại vi qua các tín hiệu logic 1/0 và các bài tập. Hy vọng, đây là bài giảng tham khảo hữu ích dành cho các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Chương 5: Digital Interfacing

Ch 5. DIGITAL INTERFACING Ghép nối hệ trung tâm với Thiết bị ngoại vi qua các tín hiệu logic 1/0 - PARALLEL IN/OUT - PORTS: PRINCIPLE, PPI, CENTRONICS/LPT - PCMCIA, DUAL PORTED RAM. - INTERCACING TO DEVICES: KEY PAD, LED, TEXT PANEL, ENCODER, STEP MOTOR, ... - HI-POWER INTERFACE: RELAY, SCR, TRIAC, POWER MOSFET, IGBT... - SERIAL IN/OUT: SYNC, ASYNC, - RS-232, RS-485, RS-422 - MODEM... P&I Ch5-Digi In/Out 1 5.1. parallel interface: 5.1.1. nGuyªn lý • In/Out nhiều bit đồng thời, nhanh, gần • a. A Port Line (1bit port): – Output Port: Latched Output (chốt ra), D_Flip-Flops – Unlatched Input, hình 5.1. single IO line/pin P&I Ch5-Digi In/Out 2 1
• D Flip-Flop (D trigger): – Là 1 trong những phần tử cơ bản của hệ dãy, – D – data, lưu giữ 1 bit số liệu. – 4/6/8 D flip-flop => tạo ra 4/6/8 bit register, nhiều registers đóng trong 1 chip là SRAM. P&I Ch5-Digi In/Out 3 – Output: • Q - ứng với giá trị data input vào thời điểm có clock • /Q – đảo của Q. – Input: • Data bit: 1 hoặc 0 • Clock, thường là sườn lên, ghi nhận giá trị của data và lưu lại cho đến khi có bit số liệu khác ghi đè lên. • [Có thể có] clear – xóa; Preset – đặt trước – Có 2 loại: Transparent (HC373) và Master- Slave (HC374) P&I Ch5-Digi In/Out 4 2
H. 501 b, c MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) P&I Ch5-Digi In/Out 5 • Write pin: bit 0 or 1, clock =  – Write bit 0: D flip-flop => Q = 0; -Q = 1 => gate = 1 => R(ds) MOSFET = ON => pin = 0 – Write bit 1 D flip-flop => Q = 1; -Q = 0 => gate = 0 => R(ds) MOSFET = OFF => pin = 1 • Read pin: (Input line– out “1” firstly)- ReadPin = 0 (!) => open 3 state lower buffer => 1/0 from pin => data bus (i) • ReadLatch (Reading bit out previously) : -ReadLatch = 0 (!) => open 3 state higher buffer => 1/0 from pin => data bus (i) P&I Ch5-Digi In/Out 6 3
• Ý nghĩa Read Latch, ví dụ thông qua việc tạo 1 xung out, 2ms : – x86, LPT port, bit0, g/n remainders • mov dx, 378h ; LPT 1 data out port • in al, dx ; • or al,1 ; • out dx,al ; set bit 0 • call delay(2) ; • and al, 0feh ; reset bit • out dx,al – Atmega64, PA0: • orl PA0, 1 • call delay(2) • anl PA0, 0feh P&I Ch5-Digi In/Out 7 5.1. PARALLEL INTERFACE: 5.1.1. NGUYÊN LÝ Simple In-Out Ports: Cổng ra đơn giản có chốt (latched output port, based on 74 HC 374/HC373/HC273/HC574..., 8 bit Register), (fig. 5.2) Cổng vào đơn giản không chốt (unlatched input port, based on 3 state buffer - 74HC244) Cổng vào có chốt (Latched Input Port), chú ý status flag P&I Ch5-Digi In/Out 8 4
5.1. PARALLEL INTERFACE: 5.1.1. NGUYÊN LÝ 74LS273/373/374/574… Ứng dụng: ghép nối DAC, LED display… P&I Ch5-Digi In/Out 9 Port[Parallel_Out]:= solieu; Lệnh Pascal Out Port: 74 HC 374: CPU phát địa chỉ ra IO space => có t/h -IO CS Phát data và -IOW => có t/h Clock =  (Rising Edge) => data được chốt vào HC374 P&I Ng/vi => OutControl = 0 Ch5-Digi => openIn/Out 3 state output 10 5
Hình 5.2c. Unlatched Input Port Hình 5.2d. Latched Input Port Unlatched Inport & latched Inport P&I Ch5-Digi In/Out 11 IO port of Micro Controllers • Ghép nối hiện đại, các mô hình port nói trên ít dùng. • Thông qua µC, các port: Intel8051, Motorola MC68HC11s, Microchip PIC, ARM, Atmel… – Latched output, – Unlatched input, – Latch Reading • Khi được y/c xây dựng ghép nối, trước hết phải lưu ý đến hình 0.2 P&I Ch5-Digi In/Out 12 6
5.1. PARALLEL INTERFACE: 5.1.1. NGUYÊN LÝ c. Port song song có tín hiệu bắt tay/ trạng thái (outport): Case Study: Gửi 1 packet ra ngoại vi, cần đồng bộ giữa 2 phía Peripheral chỉ đọc bộ đệm cổng khi có số liệu (cờ IBF thiết lập, 1) CS chỉ gửi số liệu ra tiếp theo khi byte/char trước đã được đọc bởi Peripheral (OBE - Output Buffer Empty, xóa, 0) Chú ý Time-Out-Error. CPU gửi 1 character, set -OBE =1 (Out. Buf Empty) Per: If IBF= 1 then đọc char (In. Buffer Full) Bài tập: Lập trình (C/ Pascal/Asm) cho sơ đồ sau để gửi 1 packet n byte - Chú ý Timeout Error P&I Ch5-Digi In/Out 13 IRQ OBE P&I Ch5-Digi In/Out 14 7
5.1. parallel interface: 5.1.2. PROGRAMMABLE PORT Ports: Intel PPI 8255 (Programmable Peripheral Interface) Motorola PIA 6821 (Progr. Interface Adaptor) Z80 PIO (Parallel In/Out) ... Flexible Specifics: 2..4 In/ Out Ports, single line direction define (PIA/ PIO) Mode: IN/OUT w [w/o] handshake, bus trans-ceiver Control/ status/ HSK: Edge (, ) or Level (hi, lo) Case study 1: PPI 8255: Tự đọc 4 ports: PA, PB, PCH & PCL, 24 IO lines 3 modes M0, M1 & M2, (PA & PB, PC as HSK signals) Đơn giản và hiệu quả Case Study 2: Interface ISA bus – PPI 8255, (Fig. 5.3a) P&I Ch5-Digi In/Out 15 Hình 5.3a. Ghép nối PPI 8255 với PC qua ISA bus (Mo hinh cong song song cua iPC, Addr: 300h-303h, Mode 0 all, PA & PC In, PB OutCh5-Digi In/Out P&I 16 8
• Cấu trúc: – PPI8255, VXL – 74HC245: Bi-directional Buffer, dùng để đệm số liệu 2 chiều và đ/k 3 state – GAL Lattice16V8, PLD – Programmable Logic Device, dùng để tạo mạch giải mã địa chỉ cho PPI • Ứng dụng: – Dùng để ghép nối với các thiết bị ngoại vi, thông qua các hệ nhúng là iPC: • DAC, ADC • DI, DO… P&I Ch5-Digi In/Out 17 5.1. Parallel Interface: 5.1.3. CENTRONICS PORT • Centronics Computer Inc. so called LPT; 2 LPT ports (not available in near future) in PC • Modes: SPP, EPP, ECP & IEEE 1284 (EPP+ECP) • IRQ (7/ 5) & DRQ (1/ 3 - 8 bit channels) support for many applications of Interface: • Printer • Local Area Network - LAN • Ext. HDD, SemiDisk, • Test Digital In/Out, ADC, DAC in many application interfaces • PC remote control (TV, Multi media, shut down...) • Programmers (All 11P2) – nạp chip chuyên dùng • Others P&I Ch5-Digi In/Out 18 9
5.1. Parallel Interface: 5.1.3. Centronics Port MODE 0: SIMPLE PARALLEL PORT - SPP (NORMAL MODE, OUTPUT ONLY) 50..100kB/s, cable 10' max - 25/36 lines - Ground twisted pair, Base Addr: 378h - LPT1 & 278h - LPT2 Data Out port, Addr. X78h - I/O space, TTL 0..5V, Open Coll. Buffered - 8 bit latched out, back read-latch LPT: send control & printed characters to Printer Control Out Port: X7Ah, TTL (x=3/2) 4 bit latched out, back read-latch, dùng software. Đối với các thiết bị, 4 tín hiệu này được set (1) và reset (0) bằng phần mềm LPT: /Strobe (b0), AutoFeed (b1), /Init (b2), SLCT(b3) IRQ_EN (b4), not outlet Status In, X79h, Unlatched, TTL (0..5V): Printer status 5 bit: b3..b7: Err, SLCT_IN, PE, -Ack, Busy P&I Ch5-Digi In/Out 19 5.1. Parallel Interface: 5.1.3. Centronics Port P&I Ch5-Digi In/Out 20 10
Các hoạt động của LPT Port • Data port: • Outport: gửi 1 byte ra cổng data và LPT Mov dx, 378h ;Data port của LPT1 Mov al, 41h ; Mã ASCII của chữ A Out dx, al ; Gửi ra cổng LPT Mov dx, 37Ah ; Gửi xung strobe, nhập dx địa chỉ cổng ; Control In dx, al ; Đọc số liệu đang có từ control port And al,1111 1110b ; giữ nguyên 7 bit cao, xóa bit 0 Out dx,al ; cho bit 0 của đ/c 37A=0, only Nop ; trễ 1 chu kỳ máy Or al,0000 0001b ; đặt bit 0 (strobe bit) = 1, các bit khác ; giữ nguyên Out dx,al ; gửi ra cổng LPT. Mã chữ A được máy P&I ; in Ch5-Digi nhận In/Out 21 – Inport: đọc 1 byte data gửi ra trước đó • Mov dx, data_port ; địa chỉ 378h • In al, dx • Control Outport, chỉ dùng 4 bit b0..b3 – Gửi 4 bit ra: • Mov dx, 37Ah P&I Ch5-Digi In/Out 22 11
• Mov al, control • Out dx,al – Đọc 4 bit gửi ra trước đó: • Mov dx, control_port • In al, dx • Status Port: Chỉ đọc trạng thái, unlatched, dùng 5 bit cao, b3..b7 • Mov dx, Status_port • In al, dx. • Các thử nghiệm: – Digital In: đếm khoảng thời gian, – Digtal Out: điều khiển logic đa điểm liên động, – Ghép nối DAC để tạo tín hiệu, ADC để đo lường P&I Ch5-Digi In/Out 23 5.1. parallel interface: 5.1.3. centronics port • Enable Int Req: mov dx, 37Ah; LPT 1 control in al, dx or al, 0001 0000b out dx, al ; PASCAL: Port[BA+2]:=Port[BA+2] or $10; {set bit 4 only} • Disable: Port[BA+2]:=Port[BA+2] and $EF; {Reset bit 4 only} P&I Ch5-Digi In/Out 24 12
5.1. parallel interface: 5.1.3. centronics port Mode 1: enhanced parallel port - epP • Xircom, 1992, Hi speed - 2 MB/s (DMA, 1 ISA bus cycle), bi-directional port, ghÐp nèi víi Ext HDD, Local Network... Base Addr 378h hoÆc 278h • 8 Registers:, cã t¬ng thÝch víi SPP, • Offset 0: SPP data , R/W data lines, w/o HSK • Offset 1: SPP status, Read (b3..b7), b0 timeout • Offset 2: SPP control, R/W 4bit C0..C3, C4: IRQ En, C5: byte dir(ection) - chiÒu sè liÖu • Offset 3: EPP addr, R/W addr cycle w HSK (b¾t tay) • Offset 4: EPP data, R/W data cycle w HSK • Others: may be used for 16/32, port config, user define P&I Ch5-Digi In/Out 25 5.1. parallel interface: 5.1.3. centronics port MODE 2: EXTENDED CAPABILITIES PORT - ECP MS-HP, 1993, 2..5 MB/s (1 ISA bus cycle), bi directional port, Ext HDD, Network... extension sys bus 16 FIFO byte buffer để gửi/ nhận, DMA: Mem buffer Có thể ghép nối với các ngoại vi chậm khi dùng Rdy Mô phỏng, tương thích hđ của SPP, EPP mode R/W: data & commands: OUT -C1 (HostAck); IN -S7 (Periphiral. Ack). -C1/ -S7 = 1 (sending data); 0 (command) Command: b7=1, b0..6: channel addr, b7=0, b0..6 run-length count for data compression mode (đếm các byte giống nhau - graphics, hardware) P&I Ch5-Digi In/Out 26 13
5.1. parallel interface: 5.1.3. centronics port MODE 2: EXTENDED CAPABILITIES PORT - ECP Many chip (SMC's super IO...) hỗ trợ decompress, phần mềm gửi ra phải 'compress' 6 registers: 3 SPP reg và 3 ECP reg Base addr + 400h: data FIFO & Config A-Read only Base addr + 401h: Config B (interrupt, DMA...) Base addr + 402h: Extended Control Register P&I Ch5-Digi In/Out 27 5.1. Parallel Interface: 5.1.3. Centronics Port Mode 3: ieee 1284 ( epp + ECP ), 1994, upto 5 MB/s • IEEE 1284 standard - document: defines/ describes protocols for Parallel-port Communication. • Include: 1284 port/ 1284 cable/ 1284 Peri. • 5 communication modes: (Register use - Table 11-1 p206, Parallel Port Complete) • Compatibility Mode: Host sends a byte to Peri. (with Busy vµ -Ack) • Nibble Mode: Peri. to Host 4 bit, remainder - HSK • Byte Mode: 8 bit, bi-dir • EPP Mode: 8 bit, bi-dir, hi-speed • ECP Mode: 8 bit, bi-dir: data, addr, compression P&I Ch5-Digi In/Out 28 14
5.1. Parallel Interface: 5.1.4. Dual Ported RAM Để chuyển mảng số liệu giữa 2 hệ VXL (Master-Slave) với tốc độ cao, gần, ... (Switching Systems, PLCs, Port Graphics Accelerator...) SRAM, dung lượng từ 1KB đến 64KB Multiple Reads & Writes đồng thời Dùng các tín hiệu: 2 x n bit Addr for 2 sides: Left - Right => 2n mem loc. 2 x 8 [16] bit of Data bit (lines) Các tín hiệu điều khiển (RD, WR, CS) và trạng thái Các tín hiệu HSK/Arbitor Hãng: Integrated Device Technology Inc. & Others; chip IDT 7707, 32Kbyte DPR P&I ứng dụng: Ghi 32 kênh điện Ví dụ Ch5-Digithoại/fax In/Out đồng thời 29 Hình 5.5b. Dual ported Static RAM P&I Ch5-Digi In/Out 30 15
5.1. Parallel Interface: 5.1.5. PCMCIA/PC Card PERSONAL COMPUTER MEMORY CARD INTERNATIONAL ASSOCIATION, VER 2.1; PC CARD STANDARD (5.0) 1996 Là chuẩn của nhiều tổ chức/ công ty: >500 members PC card device - credit card size adaptor: nhỏ, dễ mang, hot plugability, tin cậy khi môi trường thay đổi, 68 pin connector Devices: Flash, SRAM, modem, LAN (wire & wireless), disk, audio w DSP, GPS... 16 bit data path (PCMCIA 2.1/ PC Card Standard 5.0) 3.3 and/or 5 V Dùng với nhiều loại bus P&I Ch5-Digi In/Out 31 P&I Ch5-Digi In/Out 32 16
5.1. parallel interface: 5.1.5. PCMCIA Kiến trúc phân nhiều tầng để đảm bảo tính vận hành độc lập với phần cứng: Socket service: Device driver - system manufacturer Card service: Device driver (chương trình điều khiển) - Operating System Vendor Client Drivers/ Client Enablers, Device Driver tạo các y/c tới hệ thống: do hãng chế tạo Card cấp Enablers/ Point Enablers: Driver chuyên để thông tin trực tiếp Host Adaptor P&I Ch5-Digi In/Out 33 5.1. parallel interface: 5.1.5. PCMCIA PC Card Standard - CardBus: • 32 bit transfer • Based PCI specification • 33MHz/ 132 MB/s • BusMasster support • Compatible w 16 bit card P&I Ch5-Digi In/Out 34 17
5.1. Parallel interface: 5.1.6. LED Interface a. Khái niệm: LED? Light Emitting Diode • Color: – Red, Green, Yellow, – Amber, R+G – Infra Red, UV – LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Blue, Cyan ... • Symbol & characteristics H×nh 5.7a. LED P&I Ch5-Digi In/Out 35 P&I Ch5-Digi In/Out 36 18
5.1. Parallel interface: 5.1.6. LED Interface • Package and Applications: – Single point, status of devices – 7 segment/ 16 segment, Arabian digit, char – Matrix 8x8 / 16 x 16, character box, graphics modules • Độ sáng: Indoor, Outdoor (super light) and semi outdoor. Độ sáng phụ thuộc vào từng loại pha tạp, từ 150mcd (normal) đến 7000mcd (super light) • Đặc tính LED: là diode phân cực thuận, tùy pha tạp => cho nhiều mầu khác nhau và điện áp thuận từ 1.5V..2.1V và 3.2.. 3.5V. • TriColor: Red – Green – Blue => PWM driving => Full color P&I 16,7M colors (3 byte) Ch5-Digi In/Out 37 H 5.7b. An example of LED’s P&I characteristics (Amber ) Ch5-Digi In/Out 38 19
• Tính toán mạch điều khiển LEDs: – LED sáng tĩnh – sáng liên tục – Static Mode: • Chọn độ sáng tương đối; • Tra bảng =>dòng điện thuận I, từ 10 đến 20mA (đồ thị A, hình 5.7b); • Tra bảng => điện áp thuận U, từ 1.6 đến 3.4V (đồ thị B, hình 5.7b); • Tính R1 = (Vcc – UF)/IF. • Ví dụ: Vcc=5V, chọn RLI = 2 => IF=20mA => UF= 2V => R = (Vcc – UF)/20mA = 150 Ohm P&I Ch5-Digi In/Out 39 – LED chế độ quét, Scan Mode: () • Mạch điện tử sẽ điều khiển sáng 1 nhóm phần tử trong toàn bộ bảng ở 1 khoảng thời gian (ms), rồi điều khiển nhóm phần tử tiếp theo... cho đến hết vòng. Với điều kiện phải hiện được 50- 120 frames/s. • Tùy thuộc độ sáng và môi trường (in/out door) => thiết kế độ rỗng (duty cycle) của từng phần tử. Thường được chọn: 1, ½, ¼. 1/8 và 1/16 P&I Ch5-Digi In/Out 40 20