Ключев А.О., Ковязина Д.Р. и др. Интерфейсы периферийных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

200

совместимому наземному или проводному передающему узлу сети

(обычно БСС состоит из подвесных (прикрепляемых) узлов). Для таких

БСС характерны относительно небольшие потоки данных (информации)

транзакционного типа. Обычно применяются в помещениях

ограниченного размера, например: в домах, на фабриках, в других

строениях. Это могут быть домашние сенсорные системы («умный дом»,

интеллектуальное здание),

системы радиочастотного распознавания

(RFID).

Традиционно сенсорные сети находили применение в контексте таких

сложных областей, как системы обнаружения радиации и/или ядерной угрозы,

системы наведения корабельного вооружения, биомедицинские устройства,

сейсмический мониторинг. В последнее время появился интерес к их

применению в качестве детекторов химической и биологической угрозы для

систем национальной безопасности, а также

на потребительском рынке. Ниже

приведен краткий список существующих и потенциальных областей

применения:

Применение в военных областях:

• Наблюдение за силами противника либо за своими войсками и

снаряжением.

• Рекогносцировка.

• Целеуказание.

• Оценка нанесенного урона (повреждений).

• Системы обнаружения ядерных, биологических, химических и других

атак.

Применение в природной среде:

• Контроль

микроклимата.

• Предсказание погоды (разного рода осадков).

• Обнаружение лесных пожаров.

• Обнаружение наводнений.

Здравоохранение:

• Удаленное наблюдение за физиологическими показателями (сенсоры на

теле человека либо внутри него).

• Определение местонахождения врачей и пациентов внутри больницы.

• Распределение лекарств.

• Помощь престарелым людям, людям с ограниченной подвижностью.

• Домашнее применение («

умный дом»).

201

• Снятие показаний со счетчиков.

• Включение/выключение электроприборов.

Промышленные и коммерческие инфраструктуры:

• Средства контроля и наблюдения в промышленных и офисных

постройках.

• Контроль оборудования.

• Отслеживание и обнаружение средств передвижения.

• Наблюдение за потоком машин.

• Метрополитен.

Прежде всего, необходимо понимание того, что сенсорные сети имеют

дело с

пространством и временем: месторасположением, зоной покрытия и

синхронизацией информации. Обычно им приходится обрабатывать большое

количество информации за ограниченное время. Поэтому сенсорные сети часто

поддерживают внутрисетевые вычисления и обработку. Некоторые из них

используют обработку в узле-источнике, другие имеют иерархическую

архитектуру. Вместо отправки необработанных данных в узлы, ответственные

за общее скопление

информации, узел-источник зачастую задействует

собственные мощности для произведения базовых расчетов, а потом передает

уже частично обработанную информацию. При использовании иерархической

архитектуры обработка происходит последовательно во всех узлах, через

которые проходит отправленная источником порция информации, до того, как

она достигает необходимого распределительного или административного узла.

Все без исключения сенсоры имеют ограниченный

запас энергии и полосу

пропускания для передачи сигнала. Данные ограничения в совокупности с

необходимостью размещения большого количества сенсоров вызывают много

трудностей в разработке и управлении БСС.

Ниже приведены ключевые понятия, относящиеся к БСС:

1. Сенсоры:

• Внутренняя функциональность.

• Обработка сигнала.

• Сжатие, обнаружение и исправление ошибок, шифрование.

• Контроль/

приведение в действие.

• Кластеризация и внутрисетевые вычисления.

• Самоорганизация.

2. Беспроводные радио технологии:

• Software-defined radios.

202

• Дальность передачи.

• Искажения при передаче.

• Способы модуляции сигнала.

• Сетевые топологии.

3. Стандарты (де-юро):

• IEEE 802.11 a/b/g с добавочными протоколами безопасности.

• IEEE 802.15.1 PAN/Bluetooth.

• IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB).

• IEEE 802.15.4/ZigBee.

• IEEE 802.16 WiMax.

• IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).

• Mobile IP.

4. Стандарты (де-факто):

• TinyOS (программная платформа с открытым кодом, разрабатываемая

в университете Беркли, Калифорния).

• TinyDB (

система обработки запросов для извлечения информации из

сети сенсоров, оснащенных TinyOS).

203

Приложение А. Система ввода-вывода учебного

лабораторного стенда SDK-1.1

А.1 Назначение стенда

Учебный стенд представляет собой микропроцессорный контроллер,

построенный на базе однокристальной микроЭВМ ADuC812 [3] (SDK-1.1/S на

ADuC842) и имеющий в своем составе разнообразные устройства, типичные

для современных встроенных систем и предназначенные для ввода, обработки и

вывода информации в цифровом и аналоговом виде. SDK-1.1 можно применять

в качестве аппаратной базы для обучения основам современной

микропроцессорной техники и

программируемой логики в университетах,

колледжах, физико-математических школах и на предприятиях [89].

Необходимость в подобных стендах возникает из-за того, что современные

персональные компьютеры, к сожалению, достаточно плохо позволяют

демонстрировать студентам все тонкости организации вычислительного

процесса. Во-первых, вся «начинка» современного компьютера скрыта от

пользователя операционной системой. Во-вторых, аппаратная база компьютеров

часто меняется, что сильно затрудняет поддержку учебных материалов в

актуальном состоянии. В-третьих, аппаратура современных компьютеров

общего назначения весьма сложна и на подробное её изучение может просто не

хватить времени, отведенного на курс учебной программой.

А.2 Состав стенда

В состав учебного стенда SDK-1.1 входят:

1. Микроконтроллер ADuC812 (Analog Devices), 8 Кб FLASH, 256 байт

ОЗУ, 640 байт E2PROM.

2. Внешнее ОЗУ 128 Кб (с возможностью расширения до 512 Кб),

подключение к МК ADuC812 по системной шине; используется для

хранения пользовательских программ и данных.

3. Расширитель портов ввода–вывода – ПЛИС MAX3064 (Altera),

подключение к МК ADuC812 по системной шине.

4. Внешняя память E2PROM 256 байт, подключение к

МК ADuC812 по

интерфейсу I2C.

5. Часы реального времени – PCF8583 (Philips), подключение по

интерфейсу I2C.

6. Консоль оператора (подключение через ПЛИС к МК ADuC812):

• Символьный жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) WH1602B-

YGK-CP (Winstar Display), 16 * 2.

• Матричная клавиатура, 4 * 4.

• Звуковой излучатель – 1 шт.

204

• Управляемые светодиоды – 8 шт.

• Ручные переключатели тестовых сигналов для аналоговых и

дискретных портов ввода: коммутатор аналоговых каналов

(подключен напрямую к МК ADuC812) и стимулятор дискретных

портов.

7. Интерфейсы:

• Оптически развязанный приемопередатчик инструментального

канала RS–232C (для связи с персональным компьютером).

• Интерфейс JTAG (IEEE 1149.1) для контроля периферийной шины и

портов, реализованных в

ПЛИС MAX3064.

Рис. 116. Структура аппаратной части учебного стенда SDK-1.1.

А.3 Вычислительное ядро и система ввода-вывода

Вычислительное ядро – это оборудование и программные средства,

которые непосредственно участвуют в решении заданной задачи (выполняют

вычислительную работу). Таким образом, к вычислительному ядру контроллера

SDK-1.1 относятся такие элементы, как процессор семейства MCS-51,

внутреннее ОЗУ данных и FLASH-память программ (в ней располагаются

резидентный загрузчик и системная таблица векторов прерываний)

микроконтроллера ADuC812, внешняя память программ и

данных SRAM,

предназначенная для размещения пользовательских программ и данных.

Система ввода-вывода содержит элементы вычислительной системы,

обеспечивающие общение вычислительного ядра с внешней средой. Таким

205

образом, к системе ввода-вывода контроллера SDK-1.1 относятся все

контроллеры ввода-вывода и периферийные устройства, находящиеся в

микроконтроллере ADuC812: порты ввода-вывода, таймеры/счетчики,

универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), контроллеры

интерфейсов I

C и SPI, АЦП, ЦАП и др. Доступ ко всей периферии в

микроконтроллере осуществляется через регистры специального назначения

(SFR). Также к системе ввода-вывода стенда относится расширитель портов

ввода-вывода, выполненный на базе ПЛИС, и все подключенные к нему

периферийные устройства: ЖКИ, матричная клавиатура, линейка светодиодов,

звуковой излучатель, дискретные порты ввода-вывода. Необходимо

отметить,

что расширитель портов ввода-вывода разделяет единое внешнее пространство

данных с внешним ОЗУ.

Данное разделение компонентов стенда SDK-1.1 по принципу

принадлежности вычислительному ядру или системе ввода-вывода выполнено

на логическом уровне. В следующих подразделах приведена более подробная

информация о компонентах стенда, при этом «выделение» компонентов

выполнено на физическом уровне, т.

е. на основе принципиальной

электрической схемы.

А.3.1 Микроконтроллер ADuC812

Микроконтроллер ADuC812 является клоном Intel 8051 (8052) со

встроенной периферией, а значит, является представителем Гарвардской

архитектуры.

Основные характеристики:

1. Рабочая частота 11,0592МГц.

2. 8 Кб FLASH-памяти (10000-50000 циклов «стирание-запись-чтение»)

для хранения программ. В стенде SDK-1.1 в этой памяти располагаются

резидентный загрузчик и системная таблица векторов прерываний.

3. 256 байт ОЗУ данных.

4. 640 байт программируемого E2PROM со страничной организацией (160

страниц по 4 байта, 10000-50000 циклов доступа к памяти/стирание-

запись-чтение) для хранения данных (например, различных настроек).

5. Адресное пространство памяти программ 64 Кб.

6. Адресное пространство внешней памяти данных 16 Мб.

7. Четыре 8-разрядных порта ввода-вывода (три двунаправленных, один

порт ввода

8. Три 16-битных таймера/счетчика и один таймер WatchDog.

9. 8-канальный 12-битный АЦП, который может работать в режиме

(максимальная частота выборки-дискретизации 200 кГц).

10. 2-канальный 12-битный ЦАП.

11. Внутренний термодатчик.

12. Режим управления питанием.

206

13. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART).

14. Интерфейс I

C (используется в стенде SDK-1.1), интерфейс SPI (не

используется в стенде SDK-1.1).

Рис. 117. Микроконтроллер ADuC812 на принципиальной электрической схеме стенда SDK-1.1.

А.3.2 Внешняя память программ и данных

Внешняя память программ и данных стенда SDK-1.1 – статическое ОЗУ

(SRAM), имеющее страничную организацию и предназначенное для

размещения пользовательских программ и данных. Размер страницы 64 Кб.

Первая страница (страница 0) доступна для выборки и команд, и данных

микроконтроллером ADuC812. Остальные страницы доступны только для

размещения данных (логическое адресное пространство внешней

памяти

данных составляет 16 Мб). Однако реально для пользовательских программ

доступно не 64 Кб, а 52 Кб, так как в младшие адреса отображается 8 Кб

FLASH-памяти ADuC812 (адреса 0000h-1FFFh). Кроме того, 4 Кб

зарезервировано резидентным загрузчиком МК (адреса F000h-FFFFh).

Если в пользовательской программе используются прерывания, то ее

рекомендуется загружать с адреса 2100h, так как в пространстве адресов 2000h-

2100h располагается

пользовательская таблица векторов прерывания.

Физическое адресное пространство внешней памяти данных в стенде

SDK-1.1 ограничено 512 Кб (т.е. не может быть 16 Мб), потому что, начиная с 8

страницы, располагается адресное пространство ПЛИС (MAX 3064).

Внешняя память программ и данных подключается к МК ADuC812 по

системной шине (как и ПЛИС).

207

Рис. 118. Подключение внешней памяти программ и данных к МК ADuC812.

А.3.3 Порты ввода-вывода

Порт можно определить как точку, через которую осуществляется

взаимодействие с каким-либо блоком в системе ввода-вывода, многоразрядный

вход или выход устройства. Порт ввода-вывода – это логическая адресуемая

единица системы ввода-вывода, которая характеризуется, в первую очередь,

следующими тремя признаками:

• Адресом.

• Форматом данных, пересылаемых

через него (под форматом данных

подразумевается как их разрядность, так и положение значащих

разрядов).

• Набором допустимых с ним операций (чтение, запись или и то, и

другое).

В стенде SDK-1.1 ввод-вывод данных осуществляется с помощью портов

микроконтроллера и микросхемы ПЛИС (расширитель портов ввода-вывода).

Порты P0, P1, P2, P3 микроконтроллера ADuC812 являются

квазидвунаправленными портами ввода-вывода

и предназначены для

обеспечения обмена информацией микроконтроллера с внешними

устройствами, образуя 32 линии ввода-вывода. Каждый из портов содержит

восьмиразрядный регистр, имеющий байтовую и битовую адресацию для

установки (запись «1») или сброса (запись «0») разрядов этого регистра с

помощью программного обеспечения. Выходы этих регистров соединены с

внешними ножками микросхемы.

Кроме работы в качестве

обычных портов ввода-вывода внешние выводы

портов Р0-Р3 могут выполнять ряд дополнительных (альтернативных) функций.

Порт P0 может быть использован для организации шины адреса/данных

при работе микроконтроллера с внешней памятью данных или программ (см.

208

принципиальную схему стенда SDK-1.1), при этом через него выводится

младший байт адреса (A0-A7), выдается из микроконтроллера или принимается

в микроконтроллер байт данных.

Порт P1 – аналоговые входы.

Порт P2 может быть использован для организации шины адреса при

работе микроконтроллера с внешней памятью данных или программ, при этом

через него выводится старший байт адреса (A8–A15) для

доступа к памяти

программ; средний и старший байт адреса (A8 – A15, A16 – A23) для доступа к

памяти данных.

Каждая линия порта Р3 имеет индивидуальную альтернативную функцию,

которая может быть задействована простым обращением к устройству,

соединенному с ножкой порта:

Р3.0 RxD – вход последовательного порта (UART);

Р3.1 TxD – выход последовательного порта (UART);

Р3.2 INT0 используется как вход 0 внешнего запроса прерываний;

Р3.3 INT1

используется как вход 1 внешнего запроса прерываний;

Р3.4 Т0 используется как вход счетчика внешних событий 0;

Р3.5 Т1 используется как вход счетчика внешних событий 1;

Р3.6 WR – строб записи во внешнюю память данных;

Р3.7 RD – строб чтения из внешней памяти данных.

ПЛИС имеет 8 регистров, отображаемых во внешнее адресное

пространство данных процессора. К ПЛИС в SDK-1.1 подключены:

•

Клавиатура.

• ЖКИ.

• Линейка светодиодов.

• Звуковой излучатель.

• 16 дискретных портов ввода-вывода.

Таблица 12. Перечень регистров расширителя портов ввода-вывода.

Адрес Регистр Доступ Назначение

080000H KB R/W Регистр клавиатуры

080001H DATA_IND R/W Регистр шины данных ЖКИ

080002H EXT_LO R/W Регистр данных параллельного порта (разряды 0-7)

080003H EXT_HI R/W Регистр данных параллельного порта (разряды 8-15)

080004H ENA W Регистр управления портами ввода-вывода, звуком,

сигналом INT0 и прерыванием от клавиатуры

080006H C_IND W Регистр управления ЖКИ

080007H SV W Регистр управления светодиодами

209

А.3.4 Расширитель портов ввода-вывода

В SDK-1.1 используется

программируемая логическая

интегральная схема (ПЛИС) семейства

MAX3000A фирмы Altera (EPM3064A)

как расширитель портов ввода-вывода.

К ПЛИС подключены:

• Клавиатура.

• ЖКИ.

• Линейка светодиодов.

• Звуковой излучатель.

• 16 дискретных портов ввода-

вывода.

Для программиста расширитель

портов представлен в виде нескольких

однобайтовых регистров, находящихся

в начале восьмой страницы внешней памяти данных.

Далее будет представлен обзор периферийных устройств, подключенных к

расширителю портов ввода-вывода, их обозначение на принципиальной

электрической схеме стенда SDK-1.1.

А.3.5 Периферийные устройства, подключенные к расширителю портов

ввода-вывода

А.3.5.1 Матричная клавиатура

Клавиатура подключена через расширитель портов ввода-вывода.

Рис. 119. Матричная клавиатура.

Клавиатура организована в виде матрицы 4x4. Доступ к колонкам и рядам

организован как чтение/запись определенного регистра ПЛИС (4 бита

соответствуют 4 колонкам, другие 4 бита – рядам). Ряды ROW1..ROW4