Memórias e periféricos de entrada / saída

1. Memórias e periféricos de entrada / saída • Organização: • Tipos de memórias • Periféricos de E/S digital • Periféricos de E/S analógica • Outros tipos de E/S

2. Tipos de memórias • Consideraremos neste âmbito dois tipos principais de memórias semicondutoras: • Memórias de leitura / escrita, a que é frequentemente dada a designação de RAM (Random Access Memories), para realçar o facto de que se pode aceder directamente a qualquer posição • Memórias só de leitura, a que é frequentemente dada a designação de ROM (Read Only Memories), dispondo também estas de acesso aleatório

3. Tipos de memórias: RAM • As RAM dividem-se em dois grandes grupos : • As RAM dinâmicas, com maior densidade (número de bits por mm2 de silício), que requerem operações periódicas de refrescamento para não perderem o conteúdo • As RAM estáticas, podendo estas ser ainda do tipo volátil ou não volátil (estas dispõem de uma pequena bateria incorporada, que conserva o conteúdo durante a ausência da tensão de alimentação)

4. Tipos de memórias: ROM • De acordo com o tipo de programação, este tipo de memórias divide-se nos seguintes grupos principais: • ROM: Não programáveis (vêm já gravadas de fábrica) • PROM: Programáveis (programmable) uma vez • EPROM: Também programáveis, sendo desgraváveis (erasable) por exposição a luz ultra-violeta • As EPROM, devido à forma como são desgravadas, possuem uma janela no encapsulamento

5. Tipos de memórias: ROM (cont.) • As EPROM estão entre as memórias só de leitura mais comuns, tendo sido a tecnologia principal deste tipo durante muitos anos • O conteúdo é desgravado por exposição a luz ultra- violeta durante cerca de 15 a 20 minutos, tantas vezes quantas as necessárias (embora em número limitado)

6. Tipos de memórias: ROM (cont.) • A programação das EPROM faz-se através de programadores com diversos tipos de complexidade e custo (o modelo aqui ilustrado está entre os mais caros):

7. Tipos de memórias: ROM (cont.) • Em relação ao modelo anterior, o interface da aplicação de programação (Windows) é o seguinte:

8. Memórias: Encapsulamentos • Os encapsulamentos mais comuns são os dos tipos DIP (Dual In-line Package), SOIC (Small Outline Integrated Circuit) e LCC (Leaded Chip Carrier):

9. Memórias: Configuração de pinos • As configurações de pinos mais comuns são as seguintes:

10. Memórias: Diagramas temporais • É necessário compreender bem quais são os principais parâmetros envolvidos nos dois tipos de acesso à memória (leitura, escrita): • Na leitura, o importante é garantir que a memória é suficientemente rápida a colocar os dados no barramento, após a activação do sinal de leitura • Na escrita, o importante é garantir que os dados presentes no barramento estão activos durante um tempo mínimo em torno da desactivação do sinal de escrita

11. Memórias: Diagramas temporais (leitura) • Exemplo da especificação dos parâmetros principais para a operação de leitura com a DS1230 (RAM não volátil)

12. Memórias: Diagramas temporais (escrita) • Exemplo da especificação dos parâmetros principais para a operação de escrita com a DS1230 (RAM não volátil)

13. Outros tipos de memórias • Para além dos tipos anteriormente referidos, e pela sua crescente vulgarização, merecem ainda referência especial os seguintes: • As EEPROM, apagáveis electricamente (electrically erasable), que por isso dispensam a luz ultra-violeta • As memórias do tipo Flash, que são também não voláteis e reprogramáveis electricamente, apresentando em relação às EEPROM vantagens em relação à densidade de integração e ao custo

14. Periféricos de E/S digital • Consideraremos neste âmbito os seguintes tipos principais de E/S: • Comunicação série via RS-232C • Comunicação série via I2C • Comunicação série via CAN • E/S paralela

15. E/S digital: RS 232C • Publicada pela EIA desde 1969, esta norma de comunicação tornou-se na mais comum e está generalizadamente disponível • Existem dois tipos de conectores para comunicação série: 9 pinos e 25 pinos (repare-se que o facto de a comunicação ser série não significa necessariamente que envolva um reduzido número de ligações)

16. E/S digital: RS 232C (cont.) • O protocolo de comunicação RS 232C pode apresentar-se através do seguinte exemplo, correspondente à transmissão do byte 7BH (são usados os valores de +12 V e -12 V para a transmissão dos valores lógicos)

17. E/S digital: RS 232C (cont.) • O LT1181 é frequentemente usado para a adaptação de níveis de tensão na comunicação RS 232C:

18. E/S digital: I2C • Lançado pela Philips no início dos anos 80, o I2C atingiu uma grande popularidade em equipamentos de electrónica de consumo (HI-FI, TV, VCR, etc.) • A principal vantagem do I2C consiste em permitir uma ligação série rápida (100 Kbps ou 400 Kbps) e fiável, com base apenas em duas ligações (dados e relógio) • Cada componente tem um endereço próprio, codificado em 7 ou 10 bits

19. E/S digital: I2C (cont.) • Existem actualmente muitos componentes que suportam a especificação I2C, como relógios de tempo real, conversores, amplificadores, etc. • O protocolo I2C pode ilustrar-se como se segue:

20. Exemplo I2C: O PCF8574

21. E/S digital: CAN • Originalmente concebido pela Bosch para a indústria automóvel, isso conferiu-lhe logo duas vantagens: • Elevado volume de fabrico (i.e. baixo preço) • Elevada imunidade ao ruído (uma vez que se destinava a aplicação num ambiente tradicionalmente hostil) • O CAN tem características próprias, que o vocacionam para aplicações em áreas onde nem o RS 232C nem o I2C são boas soluções

22. E/S digital: CAN (cont.) • Podendo atingir velocidades e distâncias até Mbps e Km (uma ou outra), o CAN usa apenas dois condutores como meio físico de comunicação • Códigos CRC, implementados em hardware pelos periféricos dedicados, garantem excelentes características de fiabilidade na comunicação • Existe um grande número de fabricantes de componentes e sistemas de apoio ao projecto

23. Exemplo CAN: O SJA1000

24. E/S paralela • No contexto que mais nos interessa, a E/S paralela diz respeito aos “portos” de E/S de um microprocessador ou microcontrolador, com o objectivo de efectuar a leitura ou o controlo ao bit: • Integrados no próprio microcontrolador • Disponíveis como periféricos dedicados (vários tipos) • Implementados através de latches ou buffers (SSI) • Implementados em dispositivos lógicos programáveis

25. E/S analógica (conversores A/D e D/A) • A discretização (A/D) e a sua operação inversa (D/A) dão origem a erros intrínsecos

26. Conversores D/A • Conversão D/A por comutação de fontes de corrente:

27. Conversores D/A (cont.) • Conversão D/A por malha R-2R

28. Conversores D/A (cont.) • Especificações mais importantes : • Resolução (importância do bit menos significativo) • Erro de não linearidade (desvio máximo na saída em relação à característica em linha recta) • Monotonicidade (quando a um aumento na entrada não corresponder um aumento na saída) • Tempo de estabelecimento (para a saída estabilizar em torno de um valor pretendido, dentro de um dado limite, em consequência de uma variação na entrada)

29. Conversores A/D • Convém começar por esclarecer que: • O preço dos A/D depende essencialmente da resolução (número de bits) e da rapidez (conversões por segundo) • Os conversores do tipo paralelo, por aproximações sucessivas e integradores, decorrem de soluções de compromisso entre os dois factores referidos acima • Os conversores do tipo sigma-delta não serão considerados nesta breve introdução

30. Conversores A/D (cont.) • Conversores A/D do tipo paralelo: • Quantos comparadores são necessários para uma saída com N bits? • Que tipo de lógica estará contida no bloco “codificador”?

31. Conversores A/D (cont.) • Conversores A/D por aproximações sucessivas:

32. Conversores A/D (cont.) • Conversores A/D do tipo integrador: Entrada analógica Comparador - - + + + Vref Integrador Relógio Bloco de controlo Contador Código digital na saída

33. Conversores A/D (cont.) • Especificações mais importantes: • Taxa de conversão (conversões por segundo) • Não linearidade diferencial (em relação à gama de valores na entrada, para códigos de saída adjacentes) • Códigos ausentes (missing codes) (quando nem todos os códigos existem na saída do conversor) • Não linearidade (desvio máximo em relação à recta ideal) • Resolução (valor do LSB)

34. Outros tipos de E/S • Englobámos neste último grupo os seguintes tipos: • Contadores / temporizadores (counters / timers), que contabilizam um dado número de impulsos de relógio • Relógios de tempo real (real time clocks), que efectuam medidas relativas (intervalos) e absolutas de tempo • Moduladores de largura de impulso, para a variação do duty cycle de um sinal

35. Conclusão • Objectivo principal do capítulo: Apresentar os principais componentes que complementam a funcionalidade de microprocessadores / microcontroladores • Pistas para a continuação do estudo: • Dispositivos de memória (aprofundar o estudo) • Periféricos: Protocolos de comunicação e conversão A/D e D/A (outras alternativas não abordadas)