PULSOS SELECTORES DE DISPOSITIVOS.

Transcripción

1 S. Introducción. En toda aplicación de un sistema de microcómputo se requiere generalmente de periféricos de entrada y/o salida, por lo tanto la CPU además de realizar las transferencias habituales desde o hacia memoria, deberá también comunicarse con los diversos dispositivos que forman el sistema de entrada/salida. Cuando la CPU deba comunicarse con algún periférico, deberá de alguna manera individualizarlo o seleccionarlo, el encargado de realizar esta tarea de selección es lo que se le llama Pulso selector de dispositivo. Mediante estos pulsos se habilitaran los buffers de las puertas de entrada o se disparara el clock de un latch de salida o bien se podrá activar ó desactivar algún monoestable conectado a esta línea. GENERACIÓN DE LOS El circuito que permitirá generar el pulso selector de dispositivo, dependerá si el dispositivo periférico se encuentra en el sistema direccionable, o en el sistema aislado. Como se sabe la conección de un periférico en el sistema direccionable es siempre posible para cualquier microprocesador debiéndose tener en cuenta para la generación del pulso las 16 líneas del bus de direcciones. El sistema aislado, el cual es posible en los microprocesadores 8080, 8085, Z80 y otros, permiten direccionar dispositivos periféricos fuera del espacio de memoria direccionable, mediante instrucciones específicas de entrada/salida como lo son las instrucciones IN y OUT. El microcomputador 8080 es muy potente por cuanto puede generar hasta 256 pulsos de selección de dispositivos de entrada diferentes y la misma cantidad para salida. Estos son mas que suficiente para cualquier aplicación razonable del microcomputador Se puede definir un pulso selector de dispositivo como un pulso positivo o negativo generado por la circuitería de selección, debido a la ejecución de una instrucción específica en el computador, que se usa para habilitar (strobe) la operación de uno o más dispositivos de I/O. Se considera como dispositivo de I/O Cualquier dispositivo digital, incluso un único chip de circuito integrado, que trasmite o recibe datos de la CPU cuando recibe un pulso de habilitación (strobe) generado por el computador. También vale la pena recordar el concepto de Ciclos de máquina como una subdivisión de un ciclo de instrucción, el cual se puede considerar como el tiempo requerido para ejecutar un grupo de acciones relacionadas durante la ejecución de un ciclo de instrucción. INSTRUCCIONES DE ENTRADA Y SALIDA DEL MICROPROCESADOR 8080 Hay solamente dos instrucciones de entrada y salida del microprocesador 8080, IN (entrada), cuyo código de operación es DB (código), permite generar un pulso selector de dispositivo para que un byte de datos de 8 bits sea leído desde el dispositivo de entrada y reemplace a los contenidos del acumulador. De la misma forma, la instruccción OUT (salida) D3 (código). Generar un pulso selector de dispositivo para que el byte de datos de 8 bits presente en el acumulador sea enviado a un dispositivo de salida, en este caso el contenido del acumulador queda inalterado. Estas dos instrucciones tienen el siguiente formato: I/O código de operación Código del dispositivo 1

2 Formato de las instrucciones de entrada/salida Donde el código del dispositivo que es el byte de más significativo especifica uno entre los 256 dispositivos diferentes. Las dos instrucciones antedichas son similares, la única diferencia entre las dos gira alrededor de lo que ocurre en el acumulador. Con la instrucción de entrada cambian los contenidos del acumulador, mientras que con la instrucción de salida no se modifica. La importancia de los pulsos selectores de dispositivos reside en su uso para habilitar datos de entrada introduciéndolos al acumulador durante una instrucción de entrada, para habilitar la retención (o captura) latching, de datos de salida desde el acumulador durante una instrucción de salida. También, estos se pueden usar para habilitar la operación de dispositivos de entrada o salida bajo condiciones donde no se producen transferencias de datos desde o hacia el acumulador. En otras palabras, los pulsos selectores de dispositivos son pulsos que se pueden usar en una variedad de modos, por ejemplo, para simular el funcionamiento de un 555 estable, un pulsador, o un o 555 monoestable. Los nemónicos para ejecutar las dos instrucciones anteriores son IN B2 (entrada B2) y OUT B2 (salida B2) y cada una requiere diez ciclos de reloj o 5 microseg, ninguna de estas instrucciones, afecta a las banderas (flags) del registro de código de condición del microprocesador DECODIFICACION DE LOS S Para la generación de los 256 posibles pulsos selectores de dispositivos de entrada y la misma cantidad de salida, se realiza generalmente utilizando los 8 bits menos significativos del bus de direcciones, también se puede utilizar el byte alto, dado que como se indico anteriormente, tanto en los ciclos de lectura de periférico o de escritura en periférico correspondiente a los ciclos de ejecución de las instrucciones IN y OUT, el código del periférico, aparece duplicado en el bus de direcciones, si bién uno u otro de los bytes de 8 bits es aceptable para la generación de código de dispositivo; el fabricante aconseja la utilización de la parte baja del bus por razones de fan-out. Si se tiene un sistema sencillo en el que se tiene hasta ocho periféricos y en el cual se esta completamente seguro que no se van a realizar expansiones. Se podría implementar una forma muy sencilla de selección en que cada pulso selector de dispositivo se conforma con una de las líneas del bus de direcciones y la línea de control correspondiente, de esta manera, como se muestra en la figura A, se podrían seleccionar hasta ocho dispositivos de entrada y ocho de salida. Evidentemente se desperdicia un del espacio disponible para el sistema aislado, pero se simplifica al máximo la lógica de selección o decodificación. Un condicionante importante que tiene este esquema es el que solo se permiten códigos selectores de dispositivos que posean un solo bit en uno como los siguientes: 01, 02, 04, 08, 10, 20, 40, 80, expresados en hexadecimal. 2

3 A 0 Per 1 A 1 Per 2 A 7 Per 8 IN OUT Figura A. Decodificadores, tales como el de 4 a 16 líneas de salida, cuya configuración de patas y diagrama en bloques se dan en la fig. 4-1, nos permiten decodificar los 8 bits del código del dispositivo para generar hasta 256 pulsos selectores de dispositivos diferentes. Un solo decodificador puede proporcionar 16 pulsos diferentes. Cuatro bits del código del dispositivo de 8 bits se aplican en las entradas A hasta D en las patas 23 a 20. Las 16 salidas se obtienen en las patas 1 a 11 y de 13 a 17. Las dos entradas de habilitación, G1 y G2, deben estar en cero lógico para habilitar el chip. El estado activo de salida es el cero lógico, por lo tanto las restantes 15 salidas estarán todas en uno lógico. Fig. 4-1; el chip del decodificador de 4 a 16 líneas. El DECODIFICADOR 74154; 16. Una variedad de estrategias se pueden utilizar para decodificar los 8 bits del código de dispositivo y a partir de allí generar los pulsos selectores de dispositivo individuales. El circuito decodificador más simple se muestra en la fig En el se generan 16 pulsos 3

4 selectores de dispositivos distintos con la ayuda de los 4 bits menos significativos en la palabra de dirección de memoria, también se debe tener en cuenta para la generación los pulsos de sincronización IN u OUT del microcomputador Los pulsos IN u OUT habilitan el decodificador por la la línea G1, G2 esta conectado al cero lógico. El pulso selector de dispositivo generado con este circuito es un pulso negativo, el cual para algunos usos se debe invertir con la ayuda de un chip 7404 sextuple inversor. En la mayoría de los diseños simples los requerimientos de interfaces con el microcomputador no requerirán seguramente más que 16 pulsos selectores de dispositivo. Los códigos de dispositivos que serán considerados aceptables para el diagrama de la fig. 4-2 son los siguientes, donde X indica que es indistinto un 0 o un 1 lógico en la posición de bits indicada. Para dispositivos de entrada y salida deberán usarse dos chips decodificadores apareados. XXXX0000 XXXX0001 XXXX0010 XXXX0011 XXXX0100 XXXX0101 XXXX0110 XXXX0111 XXXX1000 XXXX1001 XXXX1010 XXXX1011 XXXX1100 XXXX1101 XXXX1110 XXXX1111 De este modo, con un par de decodificadores permitirá seleccionar hasta 16 dispositivos de entrada y 16 de salidas diferentes. Fig. 4-2; un decodificador simple que puede generar 16 pulsos selectores de dispositivo diferentes. En este caso la decodificación del bus de direcciones no es absoluta, lo que implica que existe redundancia, para distintos códigos se genera el mismo pulso selector de dispositivo. DIECISIETE DECODIFICADORES 74154, 256 PULSOS SELECTORES DE DISPOSITIVOS. Un circuito que requiere una conexión simple para IN u OUT y que puede generar hasta 256 pulsos selectores de dispositivo diferentes se muestra en la fig. 4-3, los 4 bits más 4

5 significativos del código de 8 bits selecciona uno de los 16 decodificadores de la derecha, mientras que los 4 bits menos significativos seleccionan el canal de salida específico en el decodificador seleccionado. Todos los pulsos selectores de dispositivo son pulsos activos en cero. Fig. 4-3, Diagrama de un circuito que puede generar 256 pulsos selectores de dispositivo diferentes. OTROS CIRCUITOS QUE REALIZAN LA DECODIFICACIÓN Hay muchos otros métodos que pueden usarse para generar los pulsos selectores de dispositivo, tanto de salida como de entrada que permitan al microprocesador comunicarse con los diversos dispositivos periféricos. Mientras que el Hardware puede transformase y puede ser diferente de una aplicación a otra, el software es siempre el mismo. Siempre se deberá especificar alguna de las instrucciones IN(DB) o OUT(D3), acopañadas por el código de dispositivo correspondiente. El circuito decodificador que aparece en la fig. 4-4, muestra como con dos chips decodificadores y la utilización apropiada de compuertas NOR de dos entradas para generar un solo pulso selector para uno de los 256 dispositivos según el código de dispositivo. Obteniéndose de esta manera una decodificación completa, sin redundancias similar a la que se obtenía con los diecisiete decodificadores. Si bien este circuito utiliza muchos menos decodificadores que en el esquema mostrado en la fig. 4-3, se requiere una compuerta NOR por cada pulso selector de dispositivo que se desee generar. También podremos usar compuertas OR si requerimos los pulsos selectores de dispositivo activos en bajo. La fig. 4-5, muestra como podemos generar los pulsos selectores de dispositivo de salida 00, 01,02,03 y 04 el esquema 5

6 decodifica solo las instrucciones de salida, se debe duplicar el hardware de la fig. 4-5, para decodificar la dirección de dispositivos de entrada, considerando para tal fin la señal de control correspondiente. Fig. 4-4: Otros circuitos que pueden generar 256 pulsos selectores de dispositivos. Solo se muestra una de las 256 compuertas NOR requeridas. Los esquemas anteriores se usan para generar pulsos selectores de dispositivos de entrada o salida con el objeto de transferir datos o para generar solamente señales de control, generalmente cuando un número considerable de dispositivos está cerca entre sí, usualmente en la misma tarjeta de circuito impreso. En el caso de unidades periféricas distantes tienen un circuito decodificador simple para el dispositivo específico. Por ejemplo, si queremos producir una dirección de entrada o salida emplearemos el circuito de la fig Podremos usar un par de chips de comparadores 7485 que produce un pulso selector de dispositivo simple, tal que el pulso de salida DS C6, se activa solo cuando ambos conjunto de entradas coinciden exactamente entre sí (fig. 4-7). Este es un circuito muy flexible que se usa en los sistemas donde el código de dispositivos puede cambiarse. Si se requieren varios pulsos selectores de dispositivos, son efectivas las combinaciones de los esquemas vistos y la utilización de decodificadores. El circuito mostrado en la fig. 4-8 puede usarse para generar las direcciones de dispositivos 38, 39, 3A y 3B. La compuerta NAND de 8 entradas de 7430 decodifica los bits de dirección A2 a A7. Cuando la combinación correcta de entradas de dirección aparece en esta compuerta, el decodificador 7442 esta habilitado en la entrada D (pata 12). La entrada C del chip 7442 se usa como otra habilitación, en este caso el pulso IN o el de salida OUT. 6

7 Fig. 4-5: Esquema para decodificador para pulsos selectores de salida 00, 01, 02, 03 y 04 Fig. 4-6: Circuito decodificador absoluto usando un chip de compuertas NAND 7430 de 8 entradas. Se podría haber usado un par de comparadores en lugar del chip 7430 e inversores asociados Mientras que el hardware cambio en los circuitos decodificadores anteriores, el software básico para generar las direcciones y los pulsos IN y OUT permanecen siendo los mismos. Fig. 4-7: Circuito decodificador absoluto basado en el uso de un par de chips comparadores 7485 de 4 bits. 7

8 Fig. 4-8: Circuito decodificador absoluto basado en el uso de la compuerta NAND 7430 de 8 entradas y un decodificador Un ejemplo de programa de microcomputador: un simple programa que demuestra el uso de la instrucción OUT es el siguiente. Dirección de memoria LD Introducción Mnemónico hexadecimal a) 000 3C MVI A 13H b) c) 002 D3 OUT 0D1H d) 003 D1 e) 004 C3 JMP 0000H f) g) a) Trasfiere el byte siguiente al codigo de operación al acumulador. b) Byte de dato. c) Generar un pulso selector de dispositivo para sacar los 8 bits de datos del acumulador hacia el dispositivo, con el código de dispositivo especificado en el byte siguiente. d) Código de dispositivo para el periférico de salida. e) Salto incondicional a la posición de memoria dada en los dos bytes siguientes. f) Byte de dirección de memoria baja correspondiente al salto. g) Byte de dirección de memoria alto correspondiente al salto Este programa coloca el byte de datos 023 en el acumulador, envía los contenidos del acumulador al dispositivo de salida 0D1H, y finalmente retorna a la dirección de memoria 000 en la cual el programa se repite a sí mismo. Si estuviéramos colocando un osciloscopio al microcomputador y observáramos la ejecución del programas anterior, podríamos ver 8

9 los diagramas de tiempo que se muestra en la fig Los contenidos del acumulador se colocan en set primeramente y permanecen invariables durante todo el programa, el byte del acumulador tiene un valor de , o 013 en hexadecimal. A medida que se ejecuta la instrucción de salida OUT, las líneas de direcciones de memoria bajas LD toman el valor correspondiente al código de dispositivo indicado en la instrucción de salida del programa precedente. Este valor se mantiene en la líneas de direcciones durante 1,3 µseg., en este tiempo se genera la señal de control correspondiente a una salida a periférico OUT, la cual esta presente físicamente durante los últimos 500 nseg, del ciclo de máquina correspondiente, estos tiempos son para un microprocesador 8080 que esta funcionando con un reloj de 2 Mhz. La combinación de la señal de control de salida OUT y las 8 líneas de dirección son suficiente para generar 256 pulsos diferentes de selección de dispositivos como se muestra en la fig. 4-3 Fig. 4-9 : Diagrama de tiempo para la generación de un puls o selector de dispositivo y el enclavado de la salida del acumulador (Ac.) durante los.5??(seg. de una instrucción de salida OUT. La información se transfiere desde el acumulador hasta un dispositivo de salida y se provee un pulso selector de dispositivo por un periodo de solamente 500 nseg. 9

10 Los datos del Ac. permanecen invariables durante odo el intervalo de.5 µseg. de la instrucción OUT. El pulso selector de dispositivo generado durante este periodo puede usarse para capturar ( latch ) esta información del Acumulador. COMO PULSOS DE CONTROL : Los pulsos selectores de dispositivo no solo se usan para habilitar ( strobe ) un buffer, puerta de entrada o para disparar el clock de un latch, puerta de salida, para la transferencia de datos entre la computadora y los dispositivos de I/O conectados al bus de datos. Se los puede usar como pulsos de control que pueden ser usados individualmente para activar o apagar maquinas, y borrar o poner a punto para funcionar dispositivos electrónicos, abrir válvulas,etc. El circuito en la fig muestra como un pulso selector de dispositivo puede usarse para borrar (clear) un chip 7490 contador de décadas. Cuando se desea borrar el contador, se debe incluir una instrucción OUT en el programa con la dirección de dispositivo apropiada. El pulso selector de dispositivo especifico usado se obtiene de un esquema de decodificación. Un pulso selector de dispositivo puede usarse conjuntamente con un latch tal como el chip que se muestra en la fig. 4-11, el dato de captura se puede observar en un display 7 segmentos ; el almacenamiento de datos solo ocurre cuando el esta sincronizado. El latch puede ser borrado por un pulso selector de dispositivo diferente aplicado en la entrada clear del chip. El instante en que se borra el latch o en el que los datos de conmutación son almacenados, se determina por el programa del microcomputador. Por ejemplo se podría inicialmente sincronizar el latch y observar el funcionamiento del conmutador lógico en el display. Se hace esto con ayuda de un pulso selector de dispositivo de salida 000 aplicado a la pata 9 del chip. Luego en el programa se podría querer borrar el latch, en este caso se utiliza un pulso selector de dispositivo 001 de salida. El tipo de programa que se utiliza es el siguiente : Dirección de Instrucción Octal Mnemónico Comentarios memoria LO 000 D3 OUT Envía un pulso selector de Dispositivo para limpiar el latch D3 OUT Enviar un pulso selector de dispositivo 000 para capturar el valor de las llaves y poder mostrar en pantalla

11 Fig : Un pulso selector de dispositivo puede usarse para borrar un contador como se,muestra aquí para el chip Fig : Un par de pulsos selectores de dispositivo se usan aquí para sincronizar un latch y para borrarlo. Notar que las instrucciones de salida se han usado consistentemente para generar los pulso de control usados para controlar la operación de los chip 7490 y Cualquier pulso selector de dispositivo podría haberse usado, (in u out) con buenos resultados, pero hay una importante razón por lo cual no se hace así. Siempre que extraiga Ud. datos con la instrucción OUT, los datos del Acumulador se copian en un dispositivo externo de salida, al microprocesador no le interesa si existe o no un dispositivo que capture los datos ; el contenido del Ac. no cambia. La situación es diferente con una instrucción IN. Siempre que se genera un pulso selector de dispositivo de entrada, el microprocesador transfiere los 8 bits disponibles en el bus al Acumulador. Si no existe tal dispositivo, el Ac. es usualmente cargado por unos lógicos. Por consiguiente siempre se prefiere usar la instrucción OUT para generar los pulsos de control ; al hacerlo asi, se sigue teniendo control sobre el contenido del Ac. Ejemplo Objetivo : El objetivo de este ejemplo es mostrar como dos decodificadores pueden configurarse para generar 16 pulsos selectores de dispositivo continuos dentro de los 256 pulsos selectores de dispositivo posibles. 11

12 Fig : Circuito para generar 16 pulsos selectores de dispositivo consecutivos. Programa Dirección de Instrucción Mnemónico Comentario Memoria 000 D3 OUT Envía a la salida un pulso selector de dispositivo para el dispositivo con el código dado en el siguiente byte Código de dispositivo D3 OUT Idem primera instrucción Código de dispositivo 001 (hexadecimal). 004 D3 OUT Idem Código de dispositivo 002 (hexadecimal). 006 D3 OUT Idem Código de dispositivo 003 (hexadecimal). 008 C3 JMP Salto incondicional a la dirección de memoria dada en los 2 bytes siguientes Byte de dirección de Memoria LO. 00A 000 Byte de dirección de Memoria HI. Nota: Conforme al microcomputador que ejecute este programa, este genera pulsos de sincronización OUT y provee el código de dispositivo en las líneas de dirección LO, A0 hasta A7 esta información es usada por los decodificadores para producir un único pulso de los 256 posibles para cada código de dispositivo. Aunque solamente 4 de los posibles códigos se muestren en el diagrama esquemático y que son generados por el programa, se pueden generar 16 pulsos agregando software. El decodificador Nº 1: 74154, ya tiene disponible 16 canales de salida decodificados. El decodificador Nº 2: 74154, actúa como un decodificador principal (maestro) para habilitar al decodificador inferior solamente cuando las líneas de direccionamiento A 4, A 5, A 6 y A 7 están todas a cero lógico. Los restantes canales de salida en el decodificador Nº2 pueden usarse para habilitar más decodificadores para producir pulsos selectores de dispositivos de salida adicionales. Dicho software contiene un lazo que hace que el microcomputador ponga continuamente en la salida los 4 pulsos selectores de dispositivos. 12