Rivediamo alcuni concetti fondamentali: note sulla periferica GPIO

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1 Introduzione alla progettazione di sistemi embedded a microcontrollore Rivediamo alcuni concetti fondamentali: note sulla periferica GPIO prof. Stefano Salvatori A.A. 2016/2017 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori marzo 2016 (1 di 23)

2 Sommario Informazione binaria e transistor MOS 5 V tolerant Schema di una cella I/O GPIO Note su debug S. Salvatori marzo 2016 (2 di 23)

3 Informazione binaria via MOS In elettronica digitale ogni bit è rappresentato con un livello di tensione V DD V SS I transistor sono utilizzati per convogliare i livelli di tensione di alimentazione verso le uscite p-mos n-mos S. Salvatori marzo 2016 (3 di 23)

4 Il MOS come switch V DD si attiva con '0' V SS p-mos strong '1' V DD si attiva con '1' strong '0' n-mos V SS S. Salvatori marzo 2016 (4 di 23)

5 Il MOS come switch V DD V DD p-mos on p-mos off n-mos out = V DD n-mos on out = V SS V SS V SS S. Salvatori marzo 2016 (5 di 23)

6 Livelli Ogni famiglia logica ha due campi per cui la tensione di ingresso è interpretata come '0' o come '1' S. Salvatori marzo 2016 (6 di 23)

7 Livelli datasheet micro LPC1769 min typ max 1 valido non valido 0 valido 3.3 V 2.3 V 1.0 V 0 V S. Salvatori marzo 2016 (7 di 23)

8 5V-tolerant Per il micro LPC1769 S. Salvatori marzo 2016 (8 di 23)

9 Celle di input/output Quando OE è basso, i due MOS d uscita sono disconnessi Three-state bidirectional output buffer Necessario nei BUS per evitare che più dispositivi d uscita siano contemporaneamente connessi a una stessa linea conflitto BUS S. Salvatori marzo 2016 (9 di 23)

10 GPIO S. Salvatori marzo 2016 (10 di 23)

13 GPIO Da STM32F4 user manual S. Salvatori marzo 2016 (13 di 23)

14 GPIO: DIR S. Salvatori marzo 2016 (14 di 23)

15 GPIO: SET S. Salvatori marzo 2016 (15 di 23)

16 GPIO: CLR S. Salvatori marzo 2016 (16 di 23)

17 Progetto blinky Il progetto blinky può essere modificato per osservare il contenuto del registro SET S. Salvatori marzo 2016 (17 di 23)

18 Progetto blinky Durante il Debug S. Salvatori marzo 2016 (18 di 23)

19 Progetto blinky Durante il Debug S. Salvatori marzo 2016 (19 di 23)

20 Progetto blinky Ma anche semplicemente con context-sensitive help S. Salvatori marzo 2016 (20 di 23)

21 Progetto blinky Il registro CLR restituisce '0' S. Salvatori marzo 2016 (21 di 23)

22 Domande? S. Salvatori marzo 2016 (23 di 23)

23 Introduzione alla progettazione di sistemi embedded a microcontrollore Rivediamo alcuni concetti fondamentali: note sulla periferica GPIO prof. Stefano Salvatori A.A. 2016/2017 Eccetto dove diversamente specificato, i contenuti di questo documento sono rilasciati sotto Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 Italia. S. Salvatori marzo 2016 (1 di 23) Dopo aver affrontato la prima esercitazione pratica è opportuno chiarire meglio alcuni concetti hardware che sono alla base della periferica GPIO che abbiamo cominciato a usare.

24 Sommario Informazione binaria e transistor MOS 5 V tolerant Schema di una cella I/O GPIO Note su debug S. Salvatori marzo 2016 (2 di 23) Vedremo: MOS come switch; Livelli ligici; Schema generico di un buffer I/O; informazioni sulla GPIO dallo user manual del micro; Schema di principio di un pin della GPIO; Note sul debug.

25 Informazione binaria via MOS In elettronica digitale ogni bit è rappresentato con un livello di tensione V DD V SS I transistor sono utilizzati per convogliare i livelli di tensione di alimentazione verso le uscite p-mos n-mos S. Salvatori marzo 2016 (3 di 23) I livelli logici sono tensioni: VDD stato alto, VSS stato basso. VDD e VSS sono gli estremi della tensione di alimentazione della logica CMOS. I transistor p-mos e n-mos sono usati come switch per avere tali livelli di tensione.

26 Il MOS come switch V DD si attiva con '0' V SS p-mos strong '1' V DD si attiva con '1' strong '0' n-mos V SS S. Salvatori marzo 2016 (4 di 23) Un p-mos si attiva con uno stato basso al gate, un n- MOS con uno alto. Nota: un n-mos ha uno 0-forte, il p-mos un 1-forte.

27 Il MOS come switch V DD V DD p-mos on p-mos off n-mos out = V DD n-mos on out = V SS V SS V SS S. Salvatori marzo 2016 (5 di 23) Connettendo in serie n-mos e p-mos abbiamo l'inverter CMOS: Attivando il p-mos abbiamo il livello logico alto in uscita; Attivando l'n-mos abbiamo il livello logico basso in uscita.

28 Livelli Ogni famiglia logica ha due campi per cui la tensione di ingresso è interpretata come '0' o come '1' S. Salvatori marzo 2016 (6 di 23) Dal datashet del componente capiamo quali sono gli intervalli di tensione che la logica interpreta correttamente come stato basso e stato alto

29 Livelli datasheet micro LPC1769 min typ max 1 valido non valido 0 valido 3.3 V 2.3 V 1.0 V 0 V S. Salvatori marzo 2016 (7 di 23) Sulle colonne troviamo tre informazioni: Valore minimo, valore tipico e valore massimo. Si noti che per VIH è indicato il minimo, mentre per VIL quello massimo. Perché? Dai dati riportati possiamo vedere quali sono gli intervalli di tensione che sono riconosciuti dalla porta come livelli basso o alto.

30 5V-tolerant Per il micro LPC1769 S. Salvatori marzo 2016 (8 di 23) Molti dispositivi hardware, che verranno connessi all'esterno del micro, presentano livelli logici TTLcompatibili: 0 V per lo stato basso, 5 V per quello alto. I dispositivi alimentati con VDD = 3.3 V potrebbero essere danneggiati da una tensione di ingresso superiore alla VDD. Se però sul datasheet è riportata la dicitura 5 V tolerant significa che possono essere connessi direttamente a dispositivi esterni TTL-compatibili. Questo è il caso di molti pin del nostro micro.

31 Celle di input/output Quando OE è basso, i due MOS d uscita sono disconnessi Three-state bidirectional output buffer Necessario nei BUS per evitare che più dispositivi d uscita siano contemporaneamente connessi a una stessa linea conflitto BUS S. Salvatori marzo 2016 (9 di 23) Lo schema di principio di una cella di I/O è del tipo di figura il cui funzionamento può essere ricavato per esercizio. Se il segnale OE è basso, entrambi i MOS sono disabilitati e quindi il pin I/O non può generare alcuna tensione in uscita. In pratica il pin si trova nello stato detto ad alta impedenza (può, al limite, se così configurato, leggere una tensione). In questo modo possiamo connettere diversi dispositivi su una stessa linea, come succede nel caso di connessione su bus di dispositivi diversi (questo argomento sarà analizzato in una futura lezione).

32 GPIO S. Salvatori marzo 2016 (10 di 23) Facciamo riferimento al cap. 9 dello user manual. Il nostro micro ha un package che consente di avere disponibili i pin da 0 a 28 della GPIO. Le caratteristiche salienti della GPIO sono: - tutti i pin della GPIO possono essere configurati come input o come output; - tutti i pin della GPIO, al reset, sono configurati come input e gli interrupt (vedremo nelle prossime lezioni) sono disabilitati; - I registri consentono il set o il clear dei pin individualmente; - la direzione può essere stabilita, individualmente, per ciascun pin.

33 GPIO S. Salvatori marzo 2016 (11 di 23) Da notare che è possibile configurare i diversi pin in modo da generare interrupt in base a condizioni specificate (vedremo in futuro).

34 GPIO S. Salvatori marzo 2016 (12 di 23) L'elenco dei registri è riportato in questa tabella. Quelli che abbiamo usato finora sono DIR, SET e CLR.

35 GPIO Da STM32F4 user manual S. Salvatori marzo 2016 (13 di 23) Questo schema indica l'azione di alcuni registri sulla funzionalità di ogni pin della GPIO: lo schema è ripreso da un altro micro ma il principio è lo stesso. Si analizzi questo schema, sempre per esercizio.

36 GPIO: DIR S. Salvatori marzo 2016 (14 di 23) Il registro DIR consente di programmare ciascun pin come input o come output. Si noti che è un registro che può essere sia letto che scritto.

37 GPIO: SET S. Salvatori marzo 2016 (15 di 23) Il registro SET consente di impostare a '1' lo stato di uno o più pin della GPIO. Anche esso si può sia leggere o scrivere.

38 GPIO: CLR S. Salvatori marzo 2016 (16 di 23) Il registro CLR è solo in scrittura.

39 Progetto blinky Il progetto blinky può essere modificato per osservare il contenuto del registro SET S. Salvatori marzo 2016 (17 di 23) Il progetto blinky è stato leggermente modificato per osservare la lettura del registro set. Si noti che l'istruzione di set del pin 27 è stata messa prima dell'impostazione dello stesso pin come uscita. È buona norma inizializzare prima lo stato e poi stabilire la direzione come output in modo che all'inizio si abbia un valore noto per lo stato del pin d'uscita.

40 Progetto blinky Durante il Debug S. Salvatori marzo 2016 (18 di 23) Avviando il debug e procedendo passo passo, quando si arriva alla riga che deve leggere lo stato del registro SET, il contenuto della variabile i è casuale poiché l'istruzione non è ancora stata eseguita. Nota: la variabile i non è stata inizializzata dal nostro codice e quindi il suo valore non è predicibile prima che qualche nostra istruzione non ne stabilisca il contenuto.

41 Progetto blinky Durante il Debug S. Salvatori marzo 2016 (19 di 23) Eseguita l'istruzione di lettura, i assume il valore di 2 27, come atteso.

42 Progetto blinky Ma anche semplicemente con context-sensitive help S. Salvatori marzo 2016 (20 di 23) Si può leggere il contenuto del registro anche grazie al context help che l'ide mette a disposizione.

43 Progetto blinky Il registro CLR restituisce '0' S. Salvatori marzo 2016 (21 di 23) Il contenuto di CLR è '0' ma solo perché è un registro che non si può leggere e quindi non restituisce informazione. Nota: la lettura di un registro di sola scrittura non da errore per il processore. Se viceversa provassimo a scrivere in un registro di sola lettura potremmo avere un errore sul bus.

44 Domande? S. Salvatori marzo 2016 (23 di 23)