Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 1 di 5

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1 Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 1 di 5 IL MICROCONTROLLORE 68HC11 Il dispositivo 68HC11 e' un microcontrollore. La differenza più marcata rispetto ai microprocessori (quali 80xx86,Z80,68000,..) consiste nella presenza a bordo del chip di blocchi funzionali (interfacce di I/O, memorie, timer,controllori di interruzione, convertitori A/D, interfacce seriali,..) che nei sistemi a microprocessore sono realizzati da sottosistemi (integrati) esterni. L'uso dei microcontrollori rende dunque possibile il progetto di piccoli sistemi di controllo con un ridotto numero di componenti aggiuntivi esterni. Nel 68HC11A1 1 e' presente ad esempio un piccolo quantitativo di RAM,EEPROM,ROM 2 ed alcune interfacce di I/O (chiamate PORTI, con funzioni simili ai 244/373) che rendono possibile un modo di funzionamento chiamato SINGLE-CHIP MODE che non richiede alcun modulo aggiuntivo di memoria. I pin che andrebbero usati come address bus e data bus per le memorie restano cosi' disponibili per altri scopi (I/O) EXPANDED-MULTIPLEXED MODE Il modo di funzionamento che permette l' accesso a moduli esterni di I/O e memoria e' detto EXPANDED-MULTIPLEXED MODE e per risparmiare sul numero dei pins, prevede un bus ADDRESS/DATA multiplato. I pin del data bus, prima di funzionare come data-bus vero e proprio 3, per un certo intervallo di tempo funzionano come parte bassa (segnali A0..A7) dell 'address-bus. Lo stesso gruppo di pin, cioe', in un primo intervallo di tempo svolge la funzione di address-bus poi quello di data-bus. Poiche' le memorie hanno bisogno di indirizzi stabili e completi per tutta la durata delle operazioni di lettura/scrittura, il progettista HW deve incaricarsi di realizzare una rete logica (basta un 373) che separi gli indirizzi dai dati ricostruendo l' address.bus completo a 16 bit. l 373 di figura realizza questo scopo: appena vede uscire sugli 8 pin D0..D7/A0..A7 un indirizzo, lo 'fotografa' e ne mostra il valore sulle sue uscite in modo permanente alle memorie, cioè lo trattiene anche quando al suo ingresso l indirizzo scompare per far posto al dato. Quando sugli stessi fili viaggia invece un dato, il 373 lo ignora lasciando inalterate le uscite (in modo che trattengano i segnali dell' ultimo indirizzo). Il micro, per far capire al 373 quando sul data bus viaggia temporaneamente un indirizzo, attiva un segnale particolare detto AS\ (Address Strobe). E' questo segnale che il progettista deve usare (come in figura) per controllare l' ingresso di comando G del 373 in modo che campioni, al momento giusto, i segnali di indirizzo e non quelli del dato. SEGNALI DI CONTROLLO RD\ e WR\ Un altra particolarita' dell' HC11 e' legata la fatto che i segnali di controllo delle operazioni di lettura RD\ e scrittura WR\ debbono essere generati a cura dal progettista a partire dalle uscite del micro E 4 ed R/W\ 5. Il segnale RD dev' essere attivato SE E SOLO SE R/W vale 1 ed il clock E vale 1 (cioe' si trova nella seconda meta' del suo periodo, in cui il data bus risulta sgombro, non impegnato dall' indirizzo, come si puo' osservare in fig. 3). In formule RD= R/W\*E RD\= (R/W\ E) L' equazione di WR si trova in modo analogo. Queste espressioni logiche possono essere realizzate usando il PAL 6 FASI DI ATTIVITA DEL MICROPROCESSORE L attivita della CPU 7 dell HC11 si svolge secondo lo schema semplificato di figura in cui si evidenzia l alternanza continua di due fasi principali: lettura dell istruzione (fase di FETCH) e sua esecuzione (fase di EXECUTE). Per svolgere in modo ordinato la sequenza delle istruzioni dei programmi, la CPU usa un registro a 16 bit di nome PC (Program Counter, nei sistemi 80XXX si chiama EIP..)che contiene sempre l indirizzo dell istruzione da eseguire. 8 Quando l HC11 viene acceso (ovvero resettato) in expanded-mode, il valore di PC viene caricato con il valore reperito nei due byte posti in memoria all indirizzo FFFEH. Ecco perche e necessario che questo indirizzo sia coperto da un chip di memoria non volatile Cio giustifica il fatto di collocare la EPROM in fondo alla mappa degli indirizzi.in particolare, dentro la EPROM negli ultimi due byte si deve inserire l indirizzo di partenza del programma. LE PRINCIPALI ISTRUZIONI Ricadono nelle seguenti categorie: 9 1 esistono diverse versioni dell' HC11,che differiscono soprattutto per la quantita' ed il tipo di memoria installata. Il chip 68HC11K4 contiene, ad esempio 24KPROM (OTP), assente nella versione HC11A1.La frequenza max di Eclock e' 5MHz contro i 2 della A1 2 Quest' ultima puo' programmarla solo il costruttore. Risulta conv. per grandi quantitativi e percio' nei nostri progetti verra' sempre ignorata, cosi' come il single-chip mode che dovrebbe utilizzarla per i programmi. C' e' tuttavia un modo di funzionamento, detto special-bootstrap mode, assai simile al single-chip (differisce per il meccanismo di avvio ed altri piccoli dettagli).avviando l' HC11 in special-bootstrap mode (pin MODA, MODB=0,0) e' ancora possibile fare a meno di moduli aggiuntivi di memoria, mettendo i programmi in EEPROM (solo512bytes) e facendo partire il micro con i pin PD0 e PD1 collegati assieme (questa connessione ha l' effetto di costringere l' HC11 ad eseguire il programma in EEPROM) 3 per ricevere/spedire il dato da/alla memoria o I/O 4 E' il segnale di clock (onda quadra) che scandisce le fasi delle operazioni di lettura scrittura del micro. Nella sua prima meta' il data bus e' temporaneamente impegnato con la parte bassa dell' indirizzo e quindi non puo' ospitare dati. I comandi RD e WR\ dovranno essere attivati SOLO nella seconda meta'. 5 vale 1 quando il micro vuole leggere e 0 quando vuole scrivere 6 al quale, percio',andranno cllegati all' ingresso i sgenali E ed R/W\. In uscita preleveremo RD\ e WR\ da collegare agli OE\ ed ai WE\ delle memorie. 7 Central Processing Unit: e' unita che esegue le istruzioni. Nell HC11 ci sono altri blocchi funzionali (TIMER, SERIALE,A/D, MEM: 8 PC puo essere alterato dalle istruzioni di salto. 9

2 Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 2 di 5 INTERFACCIAMENTO DELL HC11 CON LE MEMORIE ED I DISPOSITIVI I/O ESTERNI (expanded mode) Quando l HC11 esegue una istruzione che gli comanda di accedere (in lettura o scrittura) ad un byte (cella) di memoria o I/O gestisce i segali di interfaccia 10 secondo la sequenza temporale descritta in seguito che globalmente e detta CICLO DI LETTURA o SCRITTURA ed e divisa in due fasi, corrispondenti alle due meta del periodo del clock E (T Eclock=500ns) (il diagramma sottostante si riferisce al caso di una lettura (da un 244 posto all indirizzo 7) seguita da una scrittura su un 373 (addr 4) 1)Viene posto sull address bus l INDIRIZZO della cella da leggere o scrivere (NB:la parte bassa cioe i bit A0..A7 in questa prima meta del ciclo occupano temporaneamente il data bus 11 ) l INDIRIZZO della cella da leggere o scrivere(nb:la parte bassa cioe i bit A0..A7 in questa prima meta del ciclo occupano.il PAL decodifica questo indirizzo determinando in quale dispositivo di memoria o I/O risiede la cella corrispondente e subito provvede ad attivare il suo chip-select. Il dispositivo (unico) che ha ricevuto il chip select si prepara a rispondere al micro cosa che accadrà non appena riceverà il comando di scrittura (WR\) o lettura(rd\). 2)Viene attivato il segnale RD\ oppure WR\ a seconda del tipo di operazione che il micro deve compiere 12. Se l operazione e una lettura, la memoria (o l I/O) invia il dato al micro tramite il data bus. Sul fronte di discesa del segnale E il micro incamera(campiona) questo dato depositandolo in uno dei suoi registri interni pronto per sottoporlo alle operazioni previste dalle successive istruzioni.. Il tempo concesso dal micro alle memorie o I/O per rispondergli, dal momento in cui emette sull address-bus l indirizzo della cella desiderata, e pari a 276ns (con T Eclock=500ns).A questo intervallo bisogna sottrarre il tempo di propagazione degli indirizzi attraverso il 373 e, se T ACC=T CE 13, anche il ritardo di propagazione del PAL, come descritto nel paragrafo Verifica della compatibilta' con le temporizzazioni dell' HC11 (a 8MHz) Perché i cicli di accesso alle memorie o I/O funzionino correttamente, cioè il micro riesca a leggere e scrivere la cella desiderata, e necessario che il progettista HW assegni un indirizzo ad ogni byte contenuto nei vari chip. Cio viene fatto utilizzando una mappa degli indirizzi come negli esempi visti a lezione. Essa serve a capire quale chip deve essere selezionato (abilitato) ogni volta che il micro emette sull address bus un certo indirizzo, in particolare serve a calcolare le equazioni dei segnali, detti CHIP-SELECT, che si collegano ai pin CE\ dei vari integrati, fornendogli l abilitazione generale. Per ogni accesso effettuato al micro un solo chip-select e attivo ed un solo integrato (quello che contiene il byte indirizzato dal micro), risulta conseguentemente abilitato. 10 (address bus A0..A15, data bus D0..D7 e control bus RD\ e WR\ ottenuti a partire da E ed R/W\ con una semplice rete logica RD=E*R/W\, WR=E*(R/W\)\) 11 La funzione del 373 collegato al segnale AS e quella di catturare la parte bassa dell indirizzo nel momento in cui appare sul data BUS, rendendola poi disponibile sulle sue uscite (collegate alle memorie/io/pal) in modo permanente per il resto dell operazione di lettura/scrittura, quando sul data bus l indirizzo scompare per cedere il posto al dato. 12 Il micro imposta il segnale R/W a 1 oppure a 0 a seconda che voglia leggere o scrivere. E' il PAL che genera i segnali RD e WR a partire da questo segnale e dal segnale E. L'equazione è: RD= R/W * E. 13 Cioè se il parametro più critico delle temporizzazioni della memoria è T CE= ritardo nell'emissione dei dati rispetto all'attivazione del pin CE..

3 Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 3 di 5 Progetto HW DI SISTEMI BASATI SUL Mc 68hc11 IN EXPANDED-MODE Il progetto HW consiste sommariamente nella scelta e nel corretto collegamento al micro delle memorie e delle interfacce di I/O e nella definizione del contenuto del PAL. Il PAL è il dispositivo che ha il compito di selezionare, sulla base degli indirizzi emessi dal micro, il chip di memoria o I/O che deve rispondergli. IL PAL seleziona il chip che deve rispondere al micro attivando quella, delle sue diverse uscite, che è collegata proprio al pin di abilitazione (ad eempio CE) del chip interessato. Questo segnale di uscita si chiama chip-select; è generato all'interno del PAL da una rete logica di cui il progettista deve determinare (calcolare) l'espressione (come si faceva in 3 nel progetto delle reti logiche). Questa fase di progetto possiamo chiamarla calcolo delle equazioni dei chip select Calcolo delle equazioni dei chip select: Cosa sono i chip select? Ogni volta che il micro vuole accedere ad una cella, emette il suo indirizzo sui fili dell'addres bus, che nel acso dell'hc11 sono 16, A0..A15. Occorre un circuito che in base a questo indirizzo, cio' sulla base dei valori di A0..A15 selezioni il chip giusto, cioè quello contente la cella corrispondente all'indirizzo emesso dal micro. La selezione avviene semplicemente attivando un segnale collegato al pin CE del chip da abilitare. Questi segnali collegati ai pin CE dei vari moduli, e che selezionano (abilitano) il solo chip destinato ad essere letto/scritto dal micro si chiamano chip-select. Come si progetta il circuito che genera i chip select? Il chip select di un determinato modulo deve essere attivato solo quando sui fili del'address bus c'è n indirizzo associato ad una cella contenuta in quel modulo. Prima di tutto occorre stabilire per ogni cella contenuta nei vari moduli, qual'è il suo indirizzo. Ciò è deciso dal progettista HW compilando una mappa degli indirizzi, in cui sono elencati tutti gli indirizzi che il micro puo' emettere e di fianco le celle che si desidera associare a quegli indirizzi (basta scrivere il nome del chip) Una volta compilata la mappa cerca di progettare il circuito che genera il chip select di ogni chip, guardando cosa hanno in comune tutti gli indirizzi delle celle contenute nel chip. Nell'esempio elementarissimo di figura 1, in cui si è fata l'ipotesi che il micro abbia solo 4 fili di indirizzo (A0..A3) si nota che le celle della memoria EPR2 hanno indirizzi che iniziano tutti con A3=0, A2=1. Se allora il progettista fa generare il chip select di EPR2 (chiamato CEROM2: il nome lo sceglie il progettista in modo arbitrario) da un circuito che fa l'and di A3 negato ed A2 otterrà l'effetto di attivare EPR2 (attivando l chip select collegato al suo pin CE) proprio ogni volta che il micro emetterà uno degli indirizzi associato a questo chip. Quindi CEROM2 = A 3 x A 2 Per le altre equazioni si procede in modo analogo. Progetto HW: tecnica di calcolo delle equazioni dei chip select con chip di memoria commerciali vedi appunti, esempio di progetto Quando i fili di indirizzo del micro sono molti è impensabile compilare una mappa degli indirizzi come si è fatto nell'esempio precedente, servito solo ad illustrate i concetti fondamentali.

4 Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 4 di 5 Una tecnica di calcolo delle equazioni è esposta nell'esempio completo di progetto negli appunti ftp://ftp.itisvinci.com/ftp/4be_5be/4be appunti/appunti_4_hc11 (marzo_aprile 2009).pdf, pag da studiare! CALCOLO DELLE EQUAZIONI DEI CHIP-SELCT 0) Si disegna la mappa degli indirizzi da 0x0000 (primo indirizzo emesso dal micro) all'ultimo 0xFFFF 1)Si sceglie la posizione (cioe' l' indirizzo di partenza) del chip all' interno della mappa degli indirizzi. Quando sia possibile, per semplificare la scrittura delle equazioni, conviene scegliere un valore che sia multiplo della capacita' del chip, oppure 0. Ad esempio, un chip di 4K andrà collocato, se possibile ad un indirizzo multiplo di 4K, cioe' 4K (0x1000), 8K (0x2000), 12K(0x3000),..etc, oppure 0. Cio' si ottiene se i chip vengono disposti in ordine di capacità decrescente (dal più grande al più piccolo) sia quando si deve partire dall'inizio della mappa (indirizzo 0x0000) sia quando si deve partire dal fondo (indirizzo 0xFFFF) NB: In expanded-mode, e' necessario che gli ultimi due indirizzi della mappa (FFFE,FFFF) siano sempre coperti da un chip di memoria non volatile. Le due locazioni poste a questi indirizzi debbono infatti contenere l' indirizzo (16bit=2bye!) di partenza del programma che il micro deve eseguire quando viene acceso/resettato. L' HC11 infatti, appena avviato, preleva da queste celle l' indirizzo della prima istruzione da eseguire. E' per questa ragione che d'ora in avanti porremo sempre un chip di EPROM in fondo alla mappa degli indirizzi (e le SRAM all'inizio) 2)Si scrive il prodotto di tutti i segnali dell' address bus, dal piu significativo A15 fino ad AN, dove N e' legato alla capacita' del chip dalla relazione capacita' = 2 N. Ad esempio, se la capacita' e' 8KB (=2 13 ) scriveremo CHIP_SELECT = A15*A14*A13 3) Si scrive in binario l' indirizzo di partenza del chip sopra ai segnali individuati al punto precedente, e per ogni bit uguale a 0 si NEGA il segnale sottostante. Es: Un chip di SRAM da 2KB e' collocato all' indirizzo 0x7000. Esprimo 2K come potenza del 2: 2K=2 11 Scrivo il prodotto del segnali da A15 fino ad A11: CS_SRAM= A15*A14*A13*A12*A11 Scrivo l' indirizzo di partenza 7000H (in binario ) sopra ai segnali di indirizzo CS_SRAM= A15*A14*A13*A12*A11 Nego i segnali sottoposti ad uno 0 CS_SRAM= A15*A1*A13*A12*A11 NB: i dispositivi elementari di I/O, come i 244 ed i 373, avendo un solo pin di abilitazione e non 2 o 3 (come le SRAM che hanno CE\, OE\, WE\) esigono generalmente che a questo unico pin arrivi un chip-select condizionato in modo da tenere conto anche del tipo di operazione, LETTURA o SCRITTURA. Alle equazioni dei chip-select dei 244 e 373 occorre perciò aggiungere il prodotto (and) per RD o WR in modo che i segnali si attivino quando il micro emette l indirizzo associato E (and) sta facendo un lettura (caso 244) oppure una scrittura (caso 373) Un esempio completo di compilazione della mappa degli indirizzi e di calcolo delle equazioni dei chip select è mostrato nel punto 2 del progetto svolto in fondo agli appunti Le equazioni così ottenute debbono poi essere programmate all interno del PAL (perche si formino i circuiti logici corrispondenti) tramite apposite apparecchiature (EPROM PROGRAMMER) da collegare al PC. Per questa operazione e disponibile del SW opportuno che permette di scivere le equazioni in un file e fornisce tutti comandi necessari per programmare il PAL. Progetto HW: Utilizzo di un PAL per realizzare le equazioni (circuiti) dei chip select e dei segali RD e WR La descrizione dei dispositivi PAL è svolta in una scheda apposita, più avanti. oppure vedi ftp://ftp.itisvinci.com/ftp/4be_5be/4be appunti/appunti_4_hc11 (marzo_aprile 2009).pdf pag 8 Progetto HW: interfacciamento del micro con le memorie Le memorie dispongono innanzitutto del pin di abilitazione generale CE (Chip Enable) da collegare al chip select. Infati un chip dei memoria deve ricevere l'abilitazione generale solo quando l'indirizzo emesso dal micro corrisponde ad una cella posta al suo interno, e questo fatto è segnalato proprio dall'attivazione del chp select. I pin che comandano la lettura e la scrittura OE e WE si collegano a segnali RD e WR prodotti da un circuito (realizzato a carico del progettista) che li attiva in base ai segnali del micro R / W ed E. Ricordando che solo quando E vale 1 il data bus è pronto per trasferire i dati, e che quando il micro vuole scrivere pone il segnale R/W a 0, il circuito che genera il WR avrà equazione WR= R / W E ed inoltre per il RD, RD = R / W E I pin di indirizzo A 0..A N-1 (in cui N è legato alla capacità del chip = numero di BYTE contenuti nel chip, dalla relazione 2 N = capacità si collegano ai primo N segnali dell'address bus del micro. I pin D0..D7 su cui entrano/escono dati, si collegano al data bus del micro. Progetto HW: interfacciamento del micro con i porti di input ed output I porti elementari 244 e 373 non hanno due pin di controllo separati per l'abilitazione generale (CE) e per la lettura (OE) o scrittura (WE) come le memorie, ma un solo pin. Per il 373, ad esempio questo pin si chiama G. Il chip select del 373 deve allora essere condizionato (moltiplicato, ossia messo in AND) con il segnale WR in modo che si attivi quando il micro emette il suo indirizzo ed inoltre vuole scrivere (e non leggere) Vedi equazione di G373 nella figura figura. Per accedere nei programmi C ai porti di I/O in un sistema HC11, si puo' usare la notazione MB(indirizzo del porto) Esempi: vedi lezione. Progetto HW: Porti di I/O disponibili a bordo dell'hc11 (da usarsi, nel caso bastino, al posto di 244 e 373 esterni) Anche nella modalità di funzionamento expanded-mode, sono disponibili sull'hc11 diversi porti di I/O che possono evitare, qualora i segnali da collegare siano pochi, l'utilizzo di 373/244 esterni. la descrizione dettagliata dei pin di I/O disponibili è svolta in una scheda appsita più avani

5 Sistemi di controllo digitali Aldini (ancora da rivedere e correggere...) 5 di 5 Progetto HW: dispositivo di output HPDL2416 Si tratta di un display con 4 caratteri i visualizzabili. Dal punto di vista HW, puo essere considerato come un piccolo chip di memoria di sola scrittura (e presente il solo segnale WR ) contenente 4 celle selezionabili tramite i due fili di indirizzo A1A0.Cio che scriviamo dentro le celle viene interpretato come il codice ASCII di un carattere e subito mostrato sul corrispondente blocco visualizzatore. Inserendo ad esempio il numero 65 dentro alla cella 0, si ottiene l effetto di visualizzare il carattere A nella posizione 0 (estrema destra).disponendo diversi chip in serie/parallelo si possono ottenere sistemi di visualizzazione piu complessi. NB: nella mappa degli indirizzi questo componente occupa 4 locazioni (4 indirizzi ad esempio da 0x2000 a 0x2003) All interno dei programmi C potremo accedere a questo dispositivo usando la funzione, appositamente definita per gestire l HPDL printf_hp (indirizzo HPDL,stringa_di_formato,espressioni); in tutto simile alla ordinaria printf(..) gia studiata in 3 a colla differenza principale di dover indicare come primo parametro l indirizzo assegnato al display 14 dal progettista. Il codice della printf_hp puo essere sviluppato per esercizio o visto a lezione. Altre funzioni più semplici per visualizzare un intero ed un numero reale sono mostrate nel riquadro. //esempio 1 Funzione che visualizza un numero intero (passatogli come secondo argomento) su un HPDL posto ad un certo indirizzo (passatogli come primo argomento) void visinthpdl(int addr, int A) {MB(addr )=(IV %10) +'0'; MB(addr+1)=(IV/10 ) %10 +'0'; MB(addr+2)=(IV/100) %10+'0'; MB(addr+3)=(IV/1000)%10+'0'; } //esempio 2 Funzione che visualizza un float con una due cifre decimali void visfloathpdl(int addr, float V) {int IV; IV=V*100; MB(addr )=(IV %10) +'0'; MB(addr+1)=(IV/10)%10 +'0'; MB(addr+2)='.'; MB(addr+3)=(IV/100)%10+'0'; } I dispositivi PAL Per implementare le equazioni dei chipslect si possono usare circuiti LSI come il 74xx00 (contenente 4 NAND), decoder (come il 74xx138), oppure più comodamente dei dispositivi chiamati PAL (Programmable Array Logic). Si tratta di componenti che contengono al loro interno porte AND e porte OR (nelle versioni più semplici) come mostrato nella figura a lato. Tra gli ingressi del PAL e quelli degli AND c'è una griglia (matrice) di connessione programmabile, nel senso che il contatto tra le righe e le colonne, e quindi il collegamento tra gli ingressi e gli AND può essere programmato in base ai desideri del progettista. In particolare, le righe sono collegate alle colonne da elementi assimilabili a fusibili. La programmazione, effettuata da apposite apparecchiature, brucia i fusibili nei punti in cui il contatto deve essere aperto. In questo modo è possibile realizzare espressioni SOMME DI PODOTTI (vedi prima forma canonica studiata in terza, e le equazioni ottenute con il metodo di Karnaugh) Nella figura le X simboleggiano contatti CHIUSI quindi l'equazione dell'uscita S è: ABC+A\B\C+A\BC\+AB\C\ Esistono versioni di PAL che possono essere anche riprogrammati. Per la programmazione occorre usare apparecchiature chiamate EPROM o PLD POGRAMMER da collegare ad un PC. Usando un apposito software (sono ad esempio liberamente scaricabili da internet PALASM oppure il più avanzato CUPL della Logical Devices) si è aiutati nella scrittura delle equazioni e nella loro programmazione all'interno del PAL. (altre info sul Manuale Hoepli pag XIV-194 etc) 14 (quello stabilito compilando la mappa di tutti gli indirizzi)