引言

        嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序4部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

        不管是在科研設(shè)備中還是在家用微波爐中，都可以看到嵌入式控制技術(shù)的影子，嵌入式控制技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，并且越來(lái)越廣泛的進(jìn)入到人們的生活中。

        在控制電路的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的輸入/輸出端口是控制器完成數(shù)據(jù)輸出和接收功能的關(guān)鍵部分，因此這一部分電路設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到控制器能否正常工作。

1 數(shù)字輸入端口邏輯設(shè)計(jì)分析
　
        以控制器為中心，按照數(shù)據(jù)的流向分，控制器的端口分為數(shù)字輸入端和數(shù)字輸出端兩種，其中最簡(jiǎn)單的一種I/O形式是數(shù)字輸入。下面從最簡(jiǎn)單的數(shù)字輸入端設(shè)計(jì)來(lái)討論在輸入端口設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問(wèn)題和解決方法。由于控制器的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳數(shù)量少，并且在使用時(shí)要分時(shí)復(fù)用，因此一般控制器和外部設(shè)備之間使用緩沖器或鎖存器連接。如圖1所示，緩沖器74HC244放置在處理器和外部器件之間，當(dāng)處理器要讀取連接在外部接口上的設(shè)備信號(hào)時(shí)，處理器通過(guò)READ引腳使74HC244輸出引腳有效。這樣，外部設(shè)備數(shù)據(jù)就能夠通過(guò)74HC244的A0~A3和B0~B3引腳傳輸?shù)?4HC244的緩沖器中，然后被送到數(shù)據(jù)總線上，微控制器就能夠讀入設(shè)備的數(shù)據(jù)了。

圖1

        圖1所示的接口方式適合于輸入端少的情況，而對(duì)于現(xiàn)在面向便攜式設(shè)備的SoC設(shè)計(jì)，不僅要求性能高、體積小，更要求功耗低。一般而言，SoC的靜態(tài)功耗很小，而對(duì)負(fù)載電容充放電的動(dòng)態(tài)功耗很大。如果總線上掛著很多功能設(shè)備，那么會(huì)導(dǎo)致總線的電容負(fù)載很大。如果總線與片外設(shè)備聯(lián)系，那么控制器還要驅(qū)動(dòng)很長(zhǎng)的片外連線以及片外設(shè)備。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)有許多數(shù)字輸入端，那么采用74HC244這種輸入方案就會(huì)有些問(wèn)題。這是由于74HC244三態(tài)輸出端的最小電容值為20 pF，比SoC內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的電容負(fù)載0.05 pF高出三個(gè)量級(jí)，過(guò)多的74HC244連接會(huì)使處理器數(shù)據(jù)總線上的電容負(fù)載值比較大，使得數(shù)據(jù)總線無(wú)法接收數(shù)據(jù)。

        為了減小電容對(duì)數(shù)據(jù)輸入的影響，可以對(duì)圖1所示的方案改進(jìn)成如圖2所示的方案，采用數(shù)據(jù)選擇器來(lái)替代74HC244，比如用74HC257。74HC257輸出端的最大電容值為15 pF，比74HC244的輸出端電容稍小一些。從圖2中可以看到，采用74HC257可以使控制器的一條數(shù)據(jù)總線連接兩條輸入端，這就相當(dāng)于一條數(shù)據(jù)總線的輸入電容值只有7.5 pF。當(dāng)然，也可以采用8選1的數(shù)字邏輯電路，比如74LS138或74HC151，但是它們沒(méi)有三態(tài)功能，因此要與74HC244結(jié)合使用，來(lái)提供數(shù)字輸入功能。這樣能使處理器每條數(shù)據(jù)總線的輸入電容降為只使用74HC244時(shí)的1/8。

圖2

        如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不需要對(duì)多于數(shù)據(jù)總線數(shù)量的數(shù)字輸入端進(jìn)行同時(shí)取樣，以上的74HC244和74HC257方案就完全可以適用。如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求必須同時(shí)取樣大量的數(shù)字輸入端，就必須在電路設(shè)計(jì)中使用鎖存器來(lái)鎖存數(shù)據(jù)。在電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的鎖存器是74HC374和74HC574，這兩種鎖存器的功能相當(dāng)。由于74HC574的輸入引腳和輸出引腳分列在集成塊的兩邊，這樣的排列使制作印刷電路板時(shí)的布線比較簡(jiǎn)單；另一方面，74HC574的輸出電容值為15 pF，這個(gè)值與74HC244的輸出電容值幾乎一樣，因此在設(shè)計(jì)中一般選用74HC574，電路連接如圖3所示，使用鎖存器可以同時(shí)取樣大量的數(shù)據(jù)輸入端。

        數(shù)據(jù)選擇器可以降低每條總線的負(fù)載電容值，而不能同時(shí)取樣數(shù)據(jù)輸入端。使用數(shù)據(jù)鎖存器，會(huì)增大數(shù)據(jù)總線的電容負(fù)載，這樣就必須在取樣數(shù)據(jù)線的數(shù)量和采用數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)量之間找到一個(gè)恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。

        圖4給出了一個(gè)較好的解決方案。在電路中，移位寄存器74HC597被級(jí)聯(lián)在一起，并且與控制器的總線相連接， 這樣可以給處理器提供大量的數(shù)字輸入引腳，同時(shí)每條總線上的電容負(fù)載值又可以達(dá)到最小。

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