МИКРОКОНТРОЛЛЕР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к 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,...) для связи с микроконтроллером используют обычно другие интерфейсы, в частности - интерфейс SPI (последовательный периферийный интерфейс - Serial Peripheral Interface).
Многовыводные микроконтроллеры, содержащие одновременно выводы обоих интерфейсов UART/ USART и SPI (см. фиг.1), 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.
2
2
Интерфейс SPI может быть реализован через последовательный интерфейс IС. Следует отметить, что последовательный интерфейс IС, включенный в состав модуля DUSART микроконтроллера Cyan Technology eCOG1, обеспечивает поддержку модулем DUSART режима SPI через банк регистров. Такая реализация
требует перекрестной записи одновременно в отдельные регистры DUSART и SPI (фиг.2). Отправка данных из того или иного регистра обеспечивается электронным ключом. Фактически в данном модуле DUSART дополнительно реализованы аппаратные средства SPI, 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 UART/USART. В этих микроконтроллерах есть возможность программными средствами эмулировать интерфейс SPI и связываться с внутренними устройствами через дополнительные выводы микроконтроллера.
Однако при реализации данной возможности происходит значительное замедление как скорости связи, так и быстродействия контроллера. Эти отрицательные последствия вызваны тем, что эмуляция интерфейса SPI через не предназначенные для этого выводы требует относительного большого задействования ресурсов микроконтроллера из-за объемной программы эмуляции SPI, забирающей 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 USART, выполненные с одним регистром, но который имел бы возможность быстрой связи с устройствами с интерфейсом SPI через средства USART.
Раскрытие полезной модели
В результате устранения известных недостатков был создан микроконтроллер, содержащий универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART, который в то же время имеет возможность взаимодействия с устройствами, содержащими последовательный периферийный интерфейс SPI. Это взаимодействие обеспечивается посредством возможности работы аппаратных средств универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI. При этом связь в режиме SPI осуществляется через один регистр USART без дополнительных аппаратных средств SPI.
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.
В автономных изделиях для связи с внутренними устройствами может быть применен микроконтроллер, содержащий универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART, имеющий один регистр. При этом возможность связи с по меньшей мере одним электронным устройством в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI обеспечена посредством вышеуказанного универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART. Для дополнительной связи с внешними устройствами может быть обеспечена возможность поочередного взаимодействия посредством вышеуказанного универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART 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 USART, обеспечивающий передачу данных в режиме SPI. Цифровые обозначения: 7 - средство 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.
2
В отличие от средств IС, изменение порядка битов передаваемого слова на обратный, обеспечивается без аппаратной реализации отдельного регистра для интерфейса SPI.
Изменение порядка битов может быть осуществлено посредством модификации средств, определяющих работу аппаратных средств USART, которые смогут работать в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI (фиг.3). В качестве модифицирующего средства может быть применена
пользовательская программа, обеспечивающая изменение порядка битов при записи/считывании в/из регистра USART, при необходимости связи в режиме SPI, которой снабжают микроконтроллер.
Если микроконтроллер предназначен для законченного автономного изделия, то связь с внешними устройствами не обязательна. В этом случае микроконтроллер связывается только с внутренней периферией в режиме последовательного периферийного интерфейса SPI.
Если микроконтроллер должен обеспечивать связь с удаленными устройствами, то следует обеспечить чередование сеансов связи с удаленными устройствами с интерфейсом USART и внутренними устройствами с интерфейсом SPI.
Изменение порядка битов и чередование сеансов связи в минимальной степени требуют задействования ресурсов микропроцессора.
Разрядность интерфейса SPI должна соответствовать разрядности интерфейса USART. Таким образом, через вывод интерфейса USART дополнительно осуществляется связь с устройствами с интерфейсом SPI и/или в режиме интерфейса SPI.
Микроконтроллер, в отличие от известных упрощенных микроконтроллеров, эмулирующих интерфейс SPI 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 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.