描述

微控制器 (MCU) 最基本的元素之一是 I/O——引腳數(shù)量、接收器和源強(qiáng)度以及可用的功能。在某些情況下，系統(tǒng)的 I/O 需求與微控制器的內(nèi)存大小可能會(huì)出現(xiàn)不匹配。通常，可用的 I/O 越多，包含的內(nèi)存就越多，這使得微控制器更昂貴。

I/O 擴(kuò)展器通過(guò)串行通信（通常是I2C或 SPI ）向主微控制器提供額外的 I/O bank 。I/O 擴(kuò)展器的常見(jiàn)用例包括簡(jiǎn)化 PCB 布線、改善功耗和縮小主微控制器的物理尺寸。

圖 1. I/O 擴(kuò)展器的使用示例

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I/O 擴(kuò)展器 ASIC是一種常見(jiàn)商品，但每個(gè) ASIC 的功能和用例略有不同，這可能會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中引起頭痛。然而，I/O 擴(kuò)展器是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字設(shè)備，可以使用微控制器進(jìn)行仿真，例如新的PIC16F15244 系列。與相關(guān)的基于 ASIC 的解決方案相比，這可以產(chǎn)生更多的設(shè)計(jì)靈活性、功能，甚至更低的物料清單 (BOM) 成本。然而，由于更專業(yè)的硬件，基于 ASIC 的解決方案在空間和功率效率方面具有優(yōu)勢(shì)。

為了展示這個(gè)概念的靈活性，我們創(chuàng)建了 2 個(gè)單獨(dú)的代碼示例。第一個(gè)代碼示例是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器。可以輕松定制與該項(xiàng)目相關(guān)的固件，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化通信。第二個(gè)代碼示例是一個(gè)非常靈活的“高級(jí)”I/O 擴(kuò)展器，其設(shè)計(jì)目的是允許通過(guò) I2C 控制幾乎每個(gè) I/O 設(shè)置，而不是依賴于預(yù)設(shè)功能。

這兩個(gè) I/O 擴(kuò)展器示例具有共同的特性和大部分代碼庫(kù)。與許多 I2C 設(shè)備一樣，尋址線被分配給一些未使用的 I/O 以設(shè)置 I2C 地址的一些位，這在設(shè)計(jì)中提供了靈活性，而無(wú)需額外編程。與 ASIC 不同，這些分配可以在軟件中更改、重新路由、刪除或重新排序。此外，該器件還提供了一條外部中斷線 (INT) 來(lái)發(fā)出 I/O 電平變化的信號(hào)。INT 可以是公共線路的漏極開(kāi)路，如果該線路是獨(dú)占的，則可以是推挽式。

簡(jiǎn)單 I/O 擴(kuò)展器

在深入了解高級(jí) I/O 擴(kuò)展器之前，讓我們看一下簡(jiǎn)單的擴(kuò)展器。在本例中，每條 I/O 線有兩種連續(xù)狀態(tài)（假設(shè)代碼未修改）：弱上拉輸入或輸出 LOW。弱上拉允許 I/O 擴(kuò)展器在用作輸入時(shí)定義邏輯電平，并且它還關(guān)閉通常會(huì)將電流吸入擴(kuò)展器的連接電路。該器件的內(nèi)部弱上拉強(qiáng)度約為 10s 或 100s μA。

LOW 輸出是一個(gè)更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器，每個(gè) I/O 能夠吸收高達(dá)25mA 的電流，整個(gè)設(shè)備的電流為 300mA（-40C 至 +85C）。有關(guān)這些限制的更多信息，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)表的電氣特性部分。從輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換到輸入狀態(tài)時(shí)可能遇到的一個(gè)問(wèn)題是 I/O 線上存在的寄生電容的充電時(shí)間。該電容會(huì)導(dǎo)致從 0 到 1 的轉(zhuǎn)換延遲，這可能會(huì)觸發(fā)變化時(shí)中斷電路。為了最大限度地減少這些影響，可以將簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器配置為在切換到弱上拉之前暫時(shí)打開(kāi)高側(cè) I/O 驅(qū)動(dòng)器以快速對(duì)該電容進(jìn)行充電。

圖 2. I/O 線的轉(zhuǎn)換

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高側(cè) I/O 驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行時(shí)間可在軟件中配置，并且可以根據(jù)需要禁用。下圖顯示了這種方法對(duì)上升時(shí)間的增強(qiáng)——注意圖像中時(shí)間尺度從 20μs/div 到 40ns/div 的變化。注意：我們不建議在任何配置中直接驅(qū)動(dòng)電容器。

圖 3. 無(wú)高端 I/O – 1nF 負(fù)載

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圖 4. 高側(cè) I/O 開(kāi)啟 – 1nF 負(fù)載

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簡(jiǎn)單 I/O 擴(kuò)展器 – 通信

這個(gè)例子的 I2C 通信也非常簡(jiǎn)單。完整的 I2C 通信只需要 2 個(gè)字節(jié)用于讀取和寫(xiě)入。在 I2C 寫(xiě)入中，數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)是一個(gè)位圖，它將由單個(gè)位表示的每個(gè) I/O 線設(shè)置為輸入或輸出。發(fā)送的所有其他數(shù)據(jù)字節(jié)都被丟棄，開(kāi)發(fā)人員可以省略。

圖 5. 簡(jiǎn)單 I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫(xiě)入

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在 I2C 讀取中，從設(shè)備讀取的字節(jié)是一個(gè)位圖，表示每個(gè) I/O 線上的數(shù)字值，可通過(guò) PORT 寄存器在內(nèi)部訪問(wèn)。

圖 6. 簡(jiǎn)單 I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取

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高級(jí) I/O 擴(kuò)展器

開(kāi)發(fā)高級(jí) I/O 擴(kuò)展器的目標(biāo)是提供比上面顯示的簡(jiǎn)單變體功能更全面的程序。由于極其簡(jiǎn)單的串行通信，簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器具有許多限制，并且無(wú)法利用PIC16F15244 系列中提供的以 I/O 為中心的功能，例如輸入電平控制、開(kāi)漏輸出、可屏蔽的變化中斷和弱上拉使能。

相比之下，這個(gè)更復(fù)雜的示例可以配置板載 I/O 的幾乎所有功能。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能集，程序使用查找表來(lái)確定訪問(wèn)哪個(gè)寄存器或執(zhí)行什么功能。圖 7 顯示了一個(gè)示例應(yīng)用程序，其中微控制器充當(dāng)鍵盤(pán)控制器，在按鍵被按下時(shí)通知主微控制器。（這個(gè)例子將在以后的文章中展開(kāi)。）

圖 7. 高級(jí) I/O 擴(kuò)展器作為帶鎖定指示燈的鍵盤(pán)控制器

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高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 - 程序結(jié)構(gòu)

圖 8 是器件中“寄存器”的查找表。表中的某些寄存器物理存在于每個(gè) PIC16F15244 系列器件上，例如 TRIS 和 LAT，而其他寄存器（例如 ERROR）是“虛擬的”。虛擬寄存器特定于該程序并且僅存在于 RAM 中。

圖 8. I/O 高級(jí)擴(kuò)展器的寄存器映射

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這種查找表結(jié)構(gòu)的一個(gè)好處是可以靈活地重新排列寄存器，這可用于優(yōu)化串行通信或減少軟件故障干擾關(guān)鍵設(shè)置的機(jī)會(huì)。

查找表分為兩個(gè)單獨(dú)的函數(shù)用于讀取和寫(xiě)入。這以代碼大小為代價(jià)創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的權(quán)限方案。例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)只讀函數(shù)，只需從寫(xiě)查找表中省略地址即可。

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 - 通信

與此示例的通信比簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器更復(fù)雜。在執(zhí)行讀取或?qū)懭胫?，控制器必須已指示開(kāi)始讀取或?qū)懭氲牡刂贰?/font>

I2C 寫(xiě)入使用第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)來(lái)設(shè)置起始地址。然后，下一個(gè)字節(jié)用于加載該地址的數(shù)據(jù)。然后為發(fā)送的下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)增加地址。只要地址仍然可寫(xiě)且有效，此過(guò)程就可以重復(fù)，如下所示。如果寫(xiě)入無(wú)效或只讀地址，則該地址不會(huì)遞增，并且設(shè)備不會(huì)確認(rèn) (NACK) 以發(fā)出錯(cuò)誤已發(fā)生的信號(hào)。

圖 9. 高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫(xiě)入流程圖

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圖 10. 高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫(xiě)入

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對(duì)于 I2C 讀取，必須首先設(shè)置要讀取的地址。通常這是通過(guò)將單個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)寫(xiě)入設(shè)備來(lái)完成的，盡管為方便起見(jiàn)，某些操作可能會(huì)自動(dòng)設(shè)置地址。I2C 總線停止，然后以讀取模式再次啟動(dòng)。

讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)出現(xiàn)在地址集。讀取此字節(jié)后，地址會(huì)遞增，因此下一次讀取發(fā)生在地址 + 1、地址 + 2 處，依此類推。如果遇到無(wú)效或只寫(xiě)區(qū)域，則程序停止增加地址并返回 0x00，直到停止讀取。圖 12 顯示了兩個(gè)寄存器的讀取示例。

圖 11. 高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取流程圖

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圖 12. 高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取

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高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 – 特性

該程序存儲(chǔ)了 8 個(gè)與 I/O 相關(guān)的設(shè)置，所有這些設(shè)置都在器件數(shù)據(jù)表中進(jìn)行了更詳細(xì)的說(shuō)明。唯一未保存的 I/O 設(shè)置是模擬選擇 (ANSEL) 和 PORT。假設(shè) I/O 擴(kuò)展器始終是數(shù)字的，因此 ANSEL 是一個(gè)常數(shù)值。PORT 值是存在于 I/O bank 上的邏輯電平，它取決于電路條件。

引用這些寄存器時(shí)，“x”（例如：TRISx）指的是可以分配的可選 I/O bank。默認(rèn)情況下，此示例使用銀行 C。

• 三態(tài)方向控制 [ TRISx ] – 控制線路是輸出 (0) 還是輸入 (1)。
• Latch [ LATx ] – 設(shè)置 I/O 驅(qū)動(dòng)器的輸出值。
• Interrupt-On-Change Positive Edge [ IOCxP ] ——啟用所選引腳上的上升沿是否產(chǎn)生中斷。
• Interrupt-On-Change Negative Edge [ IOCxN ] ——啟用所選引腳上的下降沿是否產(chǎn)生中斷。
• 弱上拉 [ WPUx ] – 為每個(gè)選定的 I/O 啟用弱上拉。
• 輸入電平控制 [ INLVLx ] ——為每個(gè)引腳選擇 TTL 或施密特觸發(fā)器 CMOS 輸入閾值。
• 開(kāi)漏控制 [ ODCONx ] – 啟用所選引腳的開(kāi)漏輸出功能。
• 壓擺率控制 [ SLRCONx ] – 啟用壓擺率限制以提高所選引腳的 EMI 性能。

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 - 內(nèi)存操作

作為一項(xiàng)附加功能，此代碼示例支持恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置、保存、加載或保存并將其設(shè)置加載到內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器的功能。PIC16F15244 系列沒(méi)有 EEPROM，但可以通過(guò)啟用存儲(chǔ)區(qū)閃存 (SAF) 將一小部分程序閃存 (PFM) 標(biāo)記為不可執(zhí)行。

圖 13. 內(nèi)存存儲(chǔ)

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圖 13 顯示了配置是如何在內(nèi)部存儲(chǔ)的。只有一個(gè)存儲(chǔ)器行（32 個(gè) 14 位字）用于存儲(chǔ)設(shè)置。此配置簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理，并將剩余的不可執(zhí)行內(nèi)存留作其他用途。

可配置的 I/O 設(shè)置與一個(gè)簡(jiǎn)單（軟件創(chuàng)建的）CRC-8 校驗(yàn)和一起保存到 PFM，以驗(yàn)證配置的完整性。為了將 CRC 打包到可用空間中，它被分成 2 位的塊并附加到每個(gè)配置的前 4 個(gè)設(shè)置。

圖 14. 內(nèi)存操作字節(jié)

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如果加載的配置無(wú)法通過(guò)其校驗(yàn)和驗(yàn)證，則不會(huì)將其加載到適當(dāng)?shù)募拇嫫髦小?/font>對(duì)于內(nèi)存加載，可以在內(nèi)存操作字節(jié)中指定 I/O 引腳行為，如圖 14 所示。如果加載失敗，引腳將保持該狀態(tài)，直到重新配置。

I/O 設(shè)置可以在運(yùn)行時(shí)保存并加載到四種配置中的任何一種。作為編譯選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)人員或設(shè)計(jì)人員可以將設(shè)備設(shè)置為在啟動(dòng)時(shí)嘗試加載配置 0 而不是默認(rèn)值，這可以用作不需要完全重新編程操作的簡(jiǎn)單固件更新。如果配置 0 未通過(guò) CRC 驗(yàn)證，程序?qū)⑹褂媚J(rèn) I/O 設(shè)置啟動(dòng)。

設(shè)備上的默認(rèn) I/O 設(shè)置被定義為常量，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要進(jìn)行設(shè)置。這些默認(rèn)值不會(huì)被程序修改，并且被認(rèn)為是已知的良好值。運(yùn)行內(nèi)存操作“l(fā)oad defaults”將使用這些默認(rèn)值加載寄存器。

作為故障保險(xiǎn)，所有內(nèi)存操作（不包括啟動(dòng)時(shí)的加載）都需要特定的字節(jié)序列來(lái)“解鎖”操作。這減少了軟件故障擦除或覆蓋設(shè)置的機(jī)會(huì)。

結(jié)論

如本文所示，在需要靈活 I/O 配置或在單個(gè)系統(tǒng)中使用大量 I/O 擴(kuò)展器的應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的 8 位微控制器可以合理地替代通用 I/O 擴(kuò)展器 ASIC。這兩個(gè)示例所需的固件可通過(guò)以下鏈接在 Github 上獲得。使用 Arduino Uno 的高級(jí) I/O 擴(kuò)展器的演示庫(kù)和代碼也在 Github 中提供。

這是 3 部分博客文章系列的第 1 部分。下一篇文章將介紹如何利用先進(jìn)的 I/O 擴(kuò)展器來(lái)控制 7 段顯示器。

對(duì)于本系列的第 2 部分，介紹使用I/O 擴(kuò)展器來(lái)控制 7 段顯示器，請(qǐng)參閱此 Hackster Post。

對(duì)于本系列的最后一部分，包括使用 I/O 擴(kuò)展器創(chuàng)建鍵盤(pán)控制器，請(qǐng)參閱此 Hackster 帖子。