Микроконтроллер упрощенной архитектуры

Полезная модель относится к средствам ввода-вывода в микроконтроллерах упрощенной архитектуры. Для связи с внешними устройствами в режиме USART обеспечена возможность работы интерфейса SPI, имеющего один регистр, по меньшей мере одного из электронных устройств, в режиме USART посредством изменения порядка битов передаваемого слова на обратный при записи в регистр SPI. Для связи с внешними устройствами обеспечивают возможность поочередного взаимодействия вышеуказанного электронного устройства с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме SPI и с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме USART. Решение увеличивает скорость связи и быстродействие маловыводного микроконтроллера.

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к способу и реализации средства ввода-вывода в микроконтроллерах упрощенной архитектуры.

Уровень техники

Известные микроконтроллеры могут быть снабжены различными средствами связи с другими электронными компонентами. Для связи с внешними устройствами обычно применяется интерфейс UART (universal asynchronous receiver transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик) или USART (universal synchronous/asynchronous receiver transmitter - универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик). Устройства внутренней архитектуры (микросхемы памяти, ЦАП, АЦП и т.д.) для связи с микроконтроллером используют обычно другие интерфейсы, в частности - интерфейс SPI (последовательный периферийный интерфейс - Serial Peripheral Interface).

Многовыводные микроконтроллеры (см. фиг.1), содержащие одновременно выводы обоих интерфейсов UART/USART и SPI, стоят в среднем в полтора раза больше цены маловыводных микроконтроллеров, содержащих выводы только одного из интерфейсов UART/USART или SPI (например, 14-выводной микроконтроллер с интерфейсом USART). При этом, как правило, иностранные производители микроконтроллеров не заинтересованы в расширении ассортимента маловыводных микросхем, содержащих одновременно выводы обоих интерфейсов UART/USART и SPI.

Следует отметить, что настройка модуля SPI микроконтроллера PIC24F для работы в режиме порта USART обеспечивает поддержку модулем SPI режима USART через банк регистров. Такая реализация требует перекрестной записи одновременно в отдельные регистры SPI и USART (фиг.2). Отправка данных из того или иного регистра обеспечивается электронным ключом. Фактически в данном модуле SPI дополнительно реализованы аппаратные средства USART, что значительно удорожает устройство из-за относительно незначительного объема выпуска таких микроконтроллеров.

При серийной сборке платы контроллера значительная часть трудозатрат приходится на соединение выводов микроконтроллера с интерфейсами UART/USART и SPI с внутренними устройствами и устройствами связи с внешними устройствами (RS232, RS485). При этом следует учитывать трудозатраты на тестирование качества подсоединения выводов.

Относительно большая площадь микроконтроллера приводит к значительному тепловыделению, отрицательно влияющему на стабильность работы контроллера.

Ближайшим аналогом являются маловыводные микроконтроллеры, содержащие выводы только интерфейса SPI (www.microchip.com, «Семейство PIC16»), В этих микроконтроллерах есть возможность обеспечения передачи слова младшим битом вперед, что соответствует интерфейсу USART, и таким образом, имеется возможность связи с внешними устройствами через дополнительные универсальные выводы микроконтроллера.

Однако при реализации данной возможности происходит значительное замедление как скорости связи, так и быстродействия микроконтроллера. Эти отрицательные последствия вызваны тем, что передача 8-битного слова, соответствующего интерфейсу USART через не предназначенные для этого выводы (регистры которых имеют, как правило, значительно больше ячеек, чем регистр интерфейса USART), требует относительно большого задействования ресурсов микроконтроллера из-за необходимости учета промежутка между битами 8-битного слова, для чего забираются ресурсы у других компонентов микроконтроллера. В результате производительность такого микроконтроллера значительно ниже, чем у микроконтроллера, содержащего одновременно выводы обоих интерфейсов UART/USART и SPI. При этом в связи с использованием дополнительных выводов микроконтроллера снижается количество пользовательских выводов.

Таким образом, для снижения зависимости от иностранных поставщиков, обеспечения ритмичности поставок комплектующих на производство и устранения указанных выше технических недостатков известных решений в виде значительного тепловыделения, высокой трудоемкости производства и тестирования, медленной скорости связи с устройствами и медленной скорости выполнения функций и сниженного количества пользовательских выводов возникает необходимость создания экономичного быстродействующего микроконтроллера, имеющего средства SPI, выполненные с одним регистром, но который имел бы возможность быстрой связи с устройствами с интерфейсом USART через средства SPI.

Раскрытие полезной модели

В результате устранения известных недостатков был создан микроконтроллер, содержащий последовательный периферийный интерфейс SPI, который в то же время имеет возможность взаимодействия с устройствами, содержащими универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART. Это взаимодействие обеспечивается посредством возможности работы аппаратных средств последовательного периферийного интерфейса SPI в режиме универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART. При этом связь в режиме USART осуществляется через один регистр SPI без дополнительных аппаратных средств USART.

Использование единственного регистра (т.е. только одного типового блока быстродействующей памяти малого объема, предназначенного для оперативного запоминания машинного слова) для обеспечения работы обоих интерфейсов USART и SPI в вычислительном устройстве расширяет возможности проектирования надежных систем без увеличения непроизводительных затрат.

Для изделий, не содержащих внутренних устройств, для связи с внешними устройствами может быть применен микроконтроллер, содержащий последовательный периферийный интерфейс SPI, имеющий один регистр. При этом возможность связи с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART обеспечена посредством вышеуказанного последовательного периферийного интерфейса SPI.

Для дополнительной связи с внутренними устройствами может быть обеспечена возможность поочередного взаимодействия посредством вышеуказанного последовательного периферийного интерфейса SPI с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI и с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART.

Описание чертежей

Фиг.1 отражает выполнение раздельных регистров с собственными выводами, обычное для уровня техники. Цифровые обозначения: 1 - регистр USART; 2 - регистр SPI; 3 - внутренняя шина данных микроконтроллера; 4 -выводы средств USART; 5 - выводы средств SPI.

Фиг.2 отражает выполнение раздельных регистров с совмещенным выводом, используемое в уровне техники. Цифровые обозначения: 4-5 - совмещенный вывод средств USART/SPI; 6 - мультиплексор, обеспечивающий сопряжение (мультиплексирование) нескольких каналов передачи данных в один общий канал. Пунктиром показана перекрестная запись в регистры USART и SPI.

Фиг.3 отражает единый регистр SPI, обеспечивающий передачу данных в режиме USART. Цифровые обозначения: 7 - промежуточные ячейки памяти (ОЗУ) микроконтроллера, обеспечивающие возможность изменения порядка битов.

Осуществление полезной модели

Средства последовательного периферийного интерфейса SPI имеют режим передачи данных, при котором слово передается старшим битом вперед, т.е. первым битом при передаче слова всегда будет последний бит. Средства универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART имеют режим передачи данных, при котором слово передается младшим битом вперед, т.е. первым битом при передаче слова всегда будет первый бит.

В отличие от модуля SPI микроконтроллера PIC24F, изменение порядка битов передаваемого слова на обратный, обеспечивается без аппаратной реализации отдельного регистра для 8-битного слова интерфейса USART. В отличие от работы микроконтроллера семейства PIC16 связь происходит через интерфейс SPI.

Изменение порядка битов может быть осуществлено посредством промежуточных ячеек оперативной памяти (ОЗУ) микроконтроллера, в которые помещается последовательность электрических зарядов 8-битного слова в порядке, обратном расположению электрических зарядов 8-битного слова, непосредственно передаваемого/принимаемого в/из аппаратных средств SPI.

Таким образом, аппаратные средства SPI могут обеспечивать работу в режиме USART (фиг.3), благодаря электрической связи с промежуточными ячейками памяти микроконтроллера при записи/считывании в/из регистра SPI, при необходимости связи в режиме USART.

Если микроконтроллер предназначен для изделия, не имеющего внутренних электронных устройств, то связь с ними не обязательна. В этом случае микроконтроллер связывается только с внешними устройствами в режиме USART.

Если микроконтроллер должен обеспечивать связь с внутренними устройствами, то следует обеспечить чередование сеансов связи с удаленными устройствами с интерфейсом USART и внутренними устройствами с интерфейсом SPI посредством внутреннего электронного ключа микроконтроллера, обеспечивающего переключение электрической связи между ячейками оперативной памяти (ОЗУ) микроконтроллера, в которых размещены электрические заряды 8-битного слова, непосредственно передаваемого/принимаемого в/из аппаратных средств SPI, и промежуточными ячейками оперативной памяти (ОЗУ) микроконтроллера, в которые помещается последовательность электрических зарядов 8-битного слова в обратном порядке.

Простое изменение порядка битов слова, последующая непосредственная передача слова в интерфейс SPI и чередование сеансов связи в минимальной степени требуют задействования ресурсов микропроцессора.

Разрядность интерфейса SPI должна соответствовать разрядности интерфейса USART. Таким образом, через вывод интерфейса SPI дополнительно осуществляется связь с устройствами с интерфейсом USART и/или в режиме интерфейса USART.

Микроконтроллер, в отличие от известных упрощенных микроконтроллеров, связывающихся с удаленными устройствами, снабженными интерфейсом USART, через дополнительные выводы микроконтроллера, фактически не имеет сколько-нибудь значимого замедления скорости связи с устройствами и замедления скорости выполнения функций (снижения быстродействия выполнения операций). Он работает с практической производительностью, сопоставимой с производительностью многовыводных микроконтроллеров, содержащих одновременно выводы и/или регистры обоих интерфейсов UART/USART и SPI, т.к. общая шина, по которой передаются данные обоих интерфейсов, имеет фактический резерв пропускной способности, который может быть использован. При этом количество пользовательских выводов не снижается.

1. Микроконтроллер, содержащий последовательный периферийный интерфейс SPI, имеющий один регистр, отличающийся тем, что возможность связи с, по меньшей мере, одним электронным устройством в режиме универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART обеспечена посредством вышеуказанного последовательного периферийного интерфейса SPI.

2. Микроконтроллер по п.1, отличающийся тем, что обеспечена возможность поочередного взаимодействия посредством вышеуказанного последовательного периферийного интерфейса SPI с, по меньшей мере, одним электронным устройством в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI и с, по меньшей мере, одним электронным устройством в режиме универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART.