CHAPITRE 17: Architecture élémentaire des...

BRS - N3/U3 - Mars 2005 - Archi E/S 1/16

Circuits Numériques

CHAPITRE 17:

Architecture élémentaire des ordinateurs:les entrées-sorties et autres périphériques


Objectifs

A la fin de ce chapitre, vous devriez être capables:

D’expliquer les principes des différents périphériques d’entrée-sortie

décrits, sans entrer dans le détail de leur fonctionnement ou de leur

programmation


Sommaire

1. Vue d’ensemble

2. Les ports d’entrée-sortie

3. Autres périphériques: les compteurs/timers

4. Autres périphériques: la liaison série SPI

5. Glossaire


1. Vue d’ensemble

Entrées-sorties (E/S ou I/O) et périphériques: ensemble de ressources qui permet d’utiliserle calculateur dans un environnement réel:

Stockage de masse: disque dur, clé USB, CD/DVD

Liaisons:

protocoles: RS232, SPI, USB, Centronics, I2C, CAN, GPIB, etc....

vers interfaces homme-machine

vers capteurs et actionneurs

entre calculateurs

Microprocesseur / Processeur: puissance de calcul mais pas vraiment d’E/S

Microcontrôleur: moindre puissance de calcul mais nombreuses E/S sur le circuit

Exemple du Pentium4: virgule flottante sur 128bits, instructions spécialisées multimédia,mémoire cache, pipeline ....

Exemple du ST7: opérations sur 8bits, interfaces SCI, SPI, I2C, PWM, LCD, DAC, ADC ...

Gestion des E/S: soit par scrutation continue sous le contrôle du processeur (Polling),

soit par interruptions



Vue d’ensemble:

Permettent le transfert de données

Peuvent être programmés en entrée

Peuvent être utilisés comme entrée de

Peuvent être associés à des fonctions

Sont contrôlés via 3 registres spécialisés:

numériques

ou en sortie par groupe de bits ou bit à bit

déclenchement d’interruption

analogiques (conversion A/N et N/A)

Data Register (DR)

Data Direction Register (DDR)

Option Register (OR)

entrée analogique

entrée numérique

sortie numérique



Exemple S7Lite: 2 ports d’entrée-sortie PA (8bits) et PB (7bits)

Exemples:

configurer le bit 6 du port A en sortie push-pull:

écrire un 1 dans le bit 6 du registre PADDR = sortie

écrire un 1 dans le bit 6 du registre PAOR = push-pull

écrire la donnée à sortir (0/1) dans le bit 6 du registre PADR

utiliser le port:



Les différentes configurations

VDD

Sortie PUSH-PULL

Sortie drain ouvert

Entrée

DR

DR

DR

VDD

VDD

pull-up éventuel

entrée analogique



Exemple S7Lite: entrée sur convertisseur analogique-numérique (port B)

entrées

résultat (8 ou 10 bits)

configuration



Vue d’ensemble:

Compteurs à fréquence d’horloge sélectionnable

Fonctions possibles:

rechargement automatique à une valeur particulière (autoreload)

capture de la valeur instantanée du compteur par un signal d’entrée (input capture)

déclenchement d’une action sur une valeur instantanée particulièredu compteur (output compare)

Applications:

temporisations diverses (utilisation de la fonction "autoreload" ou "output compare")mesure d’intervalles de temps (utilisation de la fonction "input capture")

génération de signaux PWM

veille de sécurité (fonction "watchdog")



Exemple S7Lite: compteur 12 bits avec autoreload, input capture, output compare et PWM

registre deconfiguration

sélection de l’horloge

registre derapport cycliquepour PWM ououtput compare

génération de PWM

génération

sur évènement d’interruptions



La fonction input capture: stocke la valeur courante du compteur à chaque front montantou descendant de l’entrée extérieure ATIC

broche extérieure

résultat courant

action

Par exemple, sur un signal périodique:

la différence entre la valeur n et la valeur n+1 correspond à une largeur d’impulsion

la différence entre la valeur n et la valeur n+2 correspond à la période du signal



La fonction PWM:

ton

T

A fréquence d’horloge donnée:

la valeur du registre ATR fixe lafréquence du signal PWM

la valeur du registre DCR fixe lerapport cyclique du signal PWM

Duty Cycle = rapport cyclique = ton / T

La valeur moyenne du signal PWM vaut: VPWMavg VDDtonT

--------⋅=

La valeur moyenne est obtenue par filtrage passe-bas, c’est une sorte de conversion N-A

Remarque: l’inertie est assimilable à un filtrage passe-bas



La fonction watchdog

Utilisé pour détecter une condition d’erreur (interférence extérieure, condition non

prévue par le logiciel) qui déroute le programme de sa séquence normale

Génération d’une remise à zéro de l’unité centrale à la fin d’une durée Tw programmée

à moins d’avoir ré initialisé le circuit

RAZ quand T6 passe à 0

programmation de la durée Nw

activation duwatchdog

Tw 16000 NwfCPU---------------⋅=

Exemple S7Lite



Liaison série, full-duplex, synchrone entre un maître et plusieurs esclaves

La transmission est initiée par le maître

Une donnée transmise par le maître implique une donnée transmise par l’esclave

Le maître fournit l’horloge de synchronisation

sélection maître-esclave

MOSI = Master Out Slave InMISO = Master In Slave Out



Exemple S7Lite: contrôleur SPI

programmation de la vitessede transmission

registres deconfiguration

interruption SPI

Registre de données


5. Glossaire

SPI (Serial Peripheral Interface): interface et protocole de liaison série développés par Motorola

SCI (Serial Communication Interface)

PWM (Pulse Width Modulation): modulation de largeur d’impulsion

I2C (Inter Circuit Communication): protocole série développé par Philips pour les liaisons

LCD (Liquid Crystal Display): afficheur à cristaux liquides

CAN (Controller Area Network): protocole série asynchrone multi-maître développé

GPIB / IEE488: protocole de liaison parallèle développé à l’origine par Hewlett-Packard

USB (Universal Serial Bus)

à l’origine pour les applications automobiles

basse vitesse entre circuits intégrés sur une même carte

principalement utilisé pour les appareils de mesure

Centronics: port parallèle développé à l’origine pour les imprimantes, tend à devenir obsolète

RS232: liaison série d’usage général, maintenant obsolète

DAC (Digital to Analog Converter): convertisseur numérique/analogique (CNA)

ADC (Analog to Digital Converter): convertisseur analogique/numérique (CAN)

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