Memórias e periféricos de entrada / saída

Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e MicrocontroladoresMemórias e periféricos de entrada / saída - 1

Memórias e periféricos de entrada / saída• Organização:

– Tipos de memórias– Periféricos de E/S digital– Periféricos de E/S analógica– Outros tipos de E/S


Tipos de memórias

• Consideraremos neste âmbito dois tipos principais de memórias semicondutoras:– Memórias de leitura / escrita, a que é frequentemente

dada a designação de RAM (Random Access Memories), para realçar o facto de que se pode aceder directamente a qualquer posição

– Memórias só de leitura, a que é frequentemente dada a designação de ROM (Read Only Memories), dispondo também estas de acesso aleatório


Tipos de memórias: RAM

• As RAM dividem-se em dois grandes grupos :– As RAM dinâmicas, com maior densidade (número de bits

por mm2 de silício), que requerem operações periódicas de refrescamento para não perderem o conteúdo

– As RAM estáticas, podendo estas ser ainda do tipo volátil ou não volátil (estas dispõem de uma pequena bateria incorporada, que conserva o conteúdo durante a ausência da tensão de alimentação)


Tipos de memórias: ROM

• De acordo com o tipo de programação, este tipo de memórias divide-se nos seguintes grupos principais:– ROM: Não programáveis (vêm já gravadas de fábrica)– PROM: Programáveis (programmable) uma vez– EPROM: Também programáveis, sendo desgraváveis

(erasable) por exposição a luz ultra-violeta• As EPROM, devido à forma como são desgravadas,

possuem uma janela no encapsulamento


Tipos de memórias: ROM (cont.)• As EPROM estão entre as memórias só de leitura

mais comuns, tendo sido a tecnologia principal deste tipo durante muitos anos

• O conteúdo é desgravado por exposição a luz ultra-violeta durante cerca de 15 a 20 minutos, tantas vezes quantas as necessárias (embora em número limitado)


Tipos de memórias: ROM (cont.)• A programação das EPROM faz-se através de

programadores com diversos tipos de complexidade e custo (o modelo aqui ilustrado está entre os mais caros):


Tipos de memórias: ROM (cont.)• Em relação ao modelo anterior, o interface da

aplicação de programação (Windows) é o seguinte:


Memórias: Encapsulamentos• Os encapsulamentos mais comuns são os dos tipos

DIP (Dual In-line Package), SOIC (Small Outline Integrated Circuit) e LCC (Leaded Chip Carrier):

DIP plástico SOIC DIP cerâmico com janela

RAM estática de 512 Kbytes RAM estática de 128 Kbytes EPROM 64 Kbytes


Memórias: Configuração de pinos• As configurações de pinos mais comuns são as

seguintes:#Pino

DS1230

27128

27256

27512

27512

27256

27128

DS1230

#Pino

1234567891011121314

A14A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2Gnd

VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2Gnd

VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2Gnd

A15A12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2Gnd

1

1415

28

VccA14A13A8A9A11/OE/VppA10/CED7D6D5D4D3

VccA14A13A8A9A11/OEA10/CED7D6D5D4D3

Vcc/PGMA13A8A9A11/OEA10/CED7D6D5D4D3

Vcc/WEA13A8A9A11/OEA10/CED7D6D5D4D3

2827262524232221201918171615


Memórias: Diagramas temporais• É necessário compreender bem quais são os

principais parâmetros envolvidos nos dois tipos de acesso à memória (leitura, escrita):– Na leitura, o importante é garantir que a memória é

suficientemente rápida a colocar os dados no barramento, após a activação do sinal de leitura

– Na escrita, o importante é garantir que os dados presentes no barramento estão activos durante um tempo mínimo em torno da desactivação do sinal de escrita


Memórias: Diagramas temporais (leitura)

A0:A..

/CS

/RD

D0:D7Dadosválidos

máx. 100 ns

• Exemplo da especificação dos parâmetros principais para a operação de leitura com a DS1230 (RAM não volátil)


Memórias: Diagramas temporais (escrita)• Exemplo da especificação dos parâmetros principais

para a operação de escrita com a DS1230 (RAM não volátil)

A0:A..

/CS

/WR

D0:D7Dados

estáveis

mín. 100 ns

mín. 80 ns mín. 15 ns


Outros tipos de memórias

• Para além dos tipos anteriormente referidos, e pela sua crescente vulgarização, merecem ainda referência especial os seguintes:– As EEPROM, apagáveis electricamente (electrically

erasable), que por isso dispensam a luz ultra-violeta– As memórias do tipo Flash, que são também não voláteis

e reprogramáveis electricamente, apresentando em relação às EEPROM vantagens em relação à densidade de integração e ao custo


Periféricos de E/S digital

• Consideraremos neste âmbito os seguintes tipos principais de E/S:– Comunicação série via RS-232C– Comunicação série via I2C– Comunicação série via CAN– E/S paralela


E/S digital: RS 232C

• Publicada pela EIA desde 1969, esta norma de comunicação tornou-se na mais comum e está generalizadamente disponível

• Existem dois tipos de conectores para comunicação série: 9 pinos e 25 pinos (repare-se que o facto de a comunicação ser série não significa necessariamente que envolva um reduzido número de ligações)


E/S digital: RS 232C (cont.)

• O protocolo de comunicação RS 232C pode apresentar-se através do seguinte exemplo, correspondente à transmissão do byte 7BH (são usados os valores de +12 V e -12 V para a transmissão dos valores lógicos)

Start bit Bit de paridade(paridade ímpar)

Stop bit

00 1 1 1 1 0 1 1


E/S digital: RS 232C (cont.)

• O LT1181 é frequentemente usado para a adaptação de níveis de tensão na comunicação RS 232C:

16

2

6

14

13

8

15

9

12

10

11

5

3

1

4

LT1181A

7

SaídasRS232

EntradasRS232

Entradaslógicas

Saídaslógicas

+5 V

+V OUT

-V OUT +

+

+

+


E/S digital: I2C

• Lançado pela Philips no início dos anos 80, o I2C atingiu uma grande popularidade em equipamentos de electrónica de consumo (HI-FI, TV, VCR, etc.)

• A principal vantagem do I2C consiste em permitir uma ligação série rápida (100 Kbps ou 400 Kbps) e fiável, com base apenas em duas ligações (dados e relógio)

• Cada componente tem um endereço próprio, codificado em 7 ou 10 bits


E/S digital: I2C (cont.)

• Existem actualmente muitos componentes que suportam a especificação I2C, como relógios de tempo real, conversores, amplificadores, etc.

• O protocolo I2C pode ilustrar-se como se segue:

Dadosestáveis

DadosPodemmudar

SDA

SCL

SDA

SCL

Início decomunicação

Fim decomunicação


Exemplo I2C: O PCF8574

8 bit

Interruptlogic

Low-passfilter

Power-onreset

I2C-buscontrol

Inputfilter

Shiftregister

I/Oport

WRITE pulse

READ pulse

13

1

2

3

14

15

16

8

4

5

6

7

9

10

11

12

PCF8574

P0

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

/INT

A0

A1

A2

SCL

SDA

VDD

VSS


E/S digital: CAN

• Originalmente concebido pela Bosch para a indústria automóvel, isso conferiu-lhe logo duas vantagens:– Elevado volume de fabrico (i.e. baixo preço)– Elevada imunidade ao ruído (uma vez que se destinava a

aplicação num ambiente tradicionalmente hostil)• O CAN tem características próprias, que o

vocacionam para aplicações em áreas onde nem o RS 232C nem o I2C são boas soluções


E/S digital: CAN (cont.)

• Podendo atingir velocidades e distâncias até Mbps e Km (uma ou outra), o CAN usa apenas dois condutores como meio físico de comunicação

• Códigos CRC, implementados em hardware pelos periféricos dedicados, garantem excelentes características de fiabilidade na comunicação

• Existe um grande número de fabricantes de componentes e sistemas de apoio ao projecto


Exemplo CAN: O SJA1000

ReceiveFIFO

Transmitbuffer

Interface management logic

Errormanagementlogic

Acceptancefilter

Bittiminglogic

Reset

Bit streamprocessor

Message buffer

Receivebuffer

SJA1000

VDD1

VSS1

VDD3

VSS3

TX0

TX1

RX0

RX1

VSS2

VDD2

/RST

8

12

17

19

14

18

20

22

15

21

13

10

9

AD7 to AD0

Control

Address / data2, 1, 28-23

3-7, 11, 16

XTAL1

XTAL2Oscillator

Internal bus

ALE-AS, /CS,/RD-E, /WR,CLKOUT,MODE, /INT

8

7


E/S paralela

• No contexto que mais nos interessa, a E/S paralela diz respeito aos “portos” de E/S de um microprocessador ou microcontrolador, com o objectivo de efectuar a leitura ou o controlo ao bit:– Integrados no próprio microcontrolador– Disponíveis como periféricos dedicados (vários tipos)– Implementados através de latches ou buffers (SSI)– Implementados em dispositivos lógicos programáveis


E/S analógica (conversores A/D e D/A)• A discretização (A/D) e a sua operação inversa (D/A)

dão origem a erros intrínsecos

000

001

010

011

100

101

110

111

Fim deEscala

1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 8/8

Erro

A

D

000 001 010 011 100 101 110 111

Fim deEscala

1/8

2/4

3/8

4/8

5/8

6/8

7/8

8/8

D

A


Conversores D/A

• Conversão D/A por comutação de fontes de corrente:

+ V

- Vref

Conversor decorrente para tensão

Entradamenossignificativa

Entrada maissignificativa Entrada Entrada

2R 4RR ...

N bits de entrada

R

Saída (em corrente

+

-

+

-


Conversores D/A (cont.)

• Conversão D/A por malha R-2R

2R 2R 2R 2R

R R R

2R

N bits de entrada

Vref

+-

Maissign.

Menossign.

Saída (emcorrente)

Conversor decorrentepara tensão

nó nó nó nó

+

-


Conversores D/A (cont.)

• Especificações mais importantes :– Resolução (importância do bit menos significativo)– Erro de não linearidade (desvio máximo na saída em

relação à característica em linha recta)– Monotonicidade (quando a um aumento na entrada não

corresponder um aumento na saída)– Tempo de estabelecimento (para a saída estabilizar em

torno de um valor pretendido, dentro de um dado limite, em consequência de uma variação na entrada)


Conversores A/D

• Convém começar por esclarecer que:– O preço dos A/D depende essencialmente da resolução

(número de bits) e da rapidez (conversões por segundo)– Os conversores do tipo paralelo, por aproximações

sucessivas e integradores, decorrem de soluções de compromisso entre os dois factores referidos acima

• Os conversores do tipo sigma-delta não serão considerados nesta breve introdução


Conversores A/D (cont.)

• Conversores A/D do tipo paralelo:

• Quantos comparadores são necessários para uma saída com N bits?

• Que tipo de lógica estará contida no bloco “codificador”?

+ Vref

R

R

Entradaanalógica

Códigodigitalna saída

Codificador

+

-

+

-

+

-

+

-



• Conversores A/D por aproximações sucessivas:

Entradaanalógica

1 2 3 4 5 6 7 8

Ciclo derelógio

É inferior, fica em 1

É inferior, fica em 1

É superior, fica em 0

É superior, fica em 0

Meio de escala(valor inicial)

Valor analógicoexterior

+ Vref

Conversor D/A

Registo deaproximaçõessucessivas

Códigodigitalna saída

Relógio

Entradaanalógica

+-



• Conversores A/D do tipo integrador:

+ Vref

Entradaanalógica

Bloco de controlo

Contador

Código digitalna saída

Relógio

Integrador

Comparador+

-

+

-

Tempo constantet

V

Tempo medido

Tensão à saídado integrador

Declive impostopor Vref (sempreo mesmo)

Declive imposto pelatensão de entrada



• Especificações mais importantes:– Taxa de conversão (conversões por segundo)– Não linearidade diferencial (em relação à gama de

valores na entrada, para códigos de saída adjacentes)– Códigos ausentes (missing codes) (quando nem todos os

códigos existem na saída do conversor)– Não linearidade (desvio máximo em relação à recta ideal)– Resolução (valor do LSB)


Outros tipos de E/S

• Englobámos neste último grupo os seguintes tipos:– Contadores / temporizadores (counters / timers), que

contabilizam um dado número de impulsos de relógio– Relógios de tempo real (real time clocks), que efectuam

medidas relativas (intervalos) e absolutas de tempoT = 1/f

1

2

DC = 25%

DC = 50%

DC (duty cycle) = / T (varia entre 0 e 100%)

– Moduladores de largura de impulso, para a variação do duty cycle de um sinal


Conclusão

• Objectivo principal do capítulo: Apresentar os principais componentes que complementam a funcionalidade de microprocessadores / microcontroladores

• Pistas para a continuação do estudo:– Dispositivos de memória (aprofundar o estudo)– Periféricos: Protocolos de comunicação e conversão A/D e

D/A (outras alternativas não abordadas)

Documents

Memórias e periféricos de entrada / saída