Circuits Numériques CHAPITRE 17: Architecture élémentaire des

Circuits Numériques
CHAPITRE 17:
Architecture élémentaire des ordinateurs:
les entrées-sorties et autres périphériques
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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
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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
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1. Vue d’ensemble
Entrées-sorties (E/S ou I/O) et périphériques: ensemble de ressources qui permet d’utiliser
le calculateur dans un environnement réel:
Stockage de masse: disque dur, clé USB, CD/DVD
Liaisons:
vers interfaces homme-machine
vers capteurs et actionneurs
entre calculateurs
protocoles: RS232, SPI, USB, Centronics, I2C, CAN, GPIB, etc....
Microprocesseur / Processeur: puissance de calcul mais pas vraiment d’E/S
Exemple du Pentium4: virgule flottante sur 128bits, instructions spécialisées multimédia,
mémoire cache, pipeline ....
Microcontrôleur: moindre puissance de calcul mais nombreuses E/S sur le circuit
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
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2. Les ports d’entrée-sortie
Vue d’ensemble:
Permettent le transfert de données
numériques
Peuvent être programmés en entrée
ou en sortie par groupe de bits ou bit à bit
Peuvent être utilisés comme entrée de
déclenchement d’interruption
Peuvent être associés à des fonctions
analogiques (conversion A/N et N/A)
Sont contrôlés via 3 registres spécialisés:
Data Register (DR)
Data Direction Register (DDR)
Option Register (OR)
entrée analogique
sortie numérique
entrée numérique
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2. Les ports d’entrée-sortie
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
utiliser le port:
écrire la donnée à sortir (0/1) dans le bit 6 du registre PADR
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2. Les ports d’entrée-sortie
Les différentes configurations
VDD
Sortie PUSH-PULL
DR
VDD
DR
VDD
pull-up éventuel
Sortie drain ouvert
DR
entrée analogique
Entrée
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2. Les ports d’entrée-sortie
Exemple S7Lite: entrée sur convertisseur analogique-numérique (port B)
configuration
entrées
résultat (8 ou 10 bits)
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3. Autres périphériques: les compteurs/timers
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 particulière
du 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")
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3. Autres périphériques: les compteurs/timers
Exemple S7Lite: compteur 12 bits avec autoreload, input capture, output compare et PWM
génération
d’interruptions
sur évènement
registre de
configuration
sélection de
l’horloge
registre de
rapport cyclique
pour PWM ou
output compare
génération de PWM
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3. Autres périphériques: les compteurs/timers
La fonction input capture: stocke la valeur courante du compteur à chaque front montant
ou descendant de l’entrée extérieure ATIC
broche extérieure
action
résultat courant
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
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3. Autres périphériques: les compteurs/timers
La fonction PWM:
A fréquence d’horloge donnée:
la valeur du registre ATR fixe la
fréquence du signal PWM
la valeur du registre DCR fixe le
rapport cyclique du signal PWM
Duty Cycle = rapport cyclique = ton / T
ton
T
La valeur moyenne du signal PWM vaut:
t on
VPWM avg = VDD ⋅ -------T
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
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3. Autres périphériques: les compteurs/timers
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
activation du
watchdog
programmation de
la durée Nw
Exemple S7Lite
Nw
Tw = 16000 ⋅ --------------f CPU
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4. Autres périphériques: la liaison série SPI
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
MISO = Master In Slave Out
MOSI = Master Out Slave In
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4. Autres périphériques: la liaison série SPI
Exemple S7Lite: contrôleur SPI
interruption SPI
registres de
configuration
Registre de données
programmation de la vitesse
de transmission
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5. Glossaire
SPI (Serial Peripheral Interface): interface et protocole de liaison série développés par Motorola
SCI (Serial Communication Interface)
I2C (Inter Circuit Communication): protocole série développé par Philips pour les liaisons
basse vitesse entre circuits intégrés sur une même carte
CAN (Controller Area Network): protocole série asynchrone multi-maître développé
à l’origine pour les applications automobiles
PWM (Pulse Width Modulation): modulation de largeur d’impulsion
LCD (Liquid Crystal Display): afficheur à cristaux liquides
USB (Universal Serial Bus)
GPIB / IEE488: protocole de liaison parallèle développé à l’origine par Hewlett-Packard
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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