Intel 8255 Programabilni periferni vmesnik (PPI) Pinout, načini in aplikacije

Intel 8255 Programmable Peripheral Interface (PPI) je bil ključna komponenta pri premostitvi mikroprocesorjev z zunanjimi napravami v zgodnjih dneh digitalnih sistemov. Z vsestranskimi V/I vrati, več načini delovanja in enostavnim programiranjem je 8255 omogočil zanesljivo komunikacijo z zasloni, senzorji in krmilniki, zaradi česar je uporaben tako v izobraževanju kot v industriji.

8255 Pregled programabilnega perifernega vmesnika (PPI)

Čip Intel 8255 PPI je široko uporabljen V/I čip, namenjen povezovanju mikroprocesorjev z zunanjimi napravami. Deluje kot komunikacijski most za periferne naprave, kot so ADC, DAC, tipkovnice in zasloni. Podpira neposredne in prekinjene V/I in zagotavlja prilagodljivost pri načrtovanju sistema. S tremi 8-bitnimi dvosmernimi vrati (A, B, C) zagotavlja 24 nastavljivih V / I linij. Njegova stroškovna učinkovitost in združljivost s procesorji, kot je Intel 8085 / 8086, je postala osnova v zgodnjih računalniških sistemih, kompletih za usposabljanje in industrijskih krmilnikih.

Značilnosti čipa 8255 PPI

• Programabilni vmesnik - Nastavljiv z navodili programske opreme za prilagajanje napravam, kot so zasloni, senzorji in vhodni moduli.

• Tri 8-bitna vrata – vrata A, B in C zagotavljajo 24 vrstic, ki lahko delujejo kot vhod ali izhod.

• Več načinov delovanja –

Način 0: Preprost vhod/izhod brez rokovanja.

Način 1: Strobed I / I s signali rokovanja za sinhronizirano komunikacijo.

Način 2: Dvosmerni prenos podatkov z rokovanjem (samo na vratih A).

• Nastavitev / ponastavitev bitov (BSR) – Biti vrat C se lahko posamezno nastavijo ali počistijo za aplikacije za nadzor / stanje.

• Prilagodljivo združevanje – vrata se lahko razdelijo v 8-bitne ali 4-bitne skupine.

• Združljivost s TTL – Enostavna integracija s standardnimi digitalnimi IC-ji.

• Neodvisni kontrolni registri – Vsaka vrata lahko delujejo ločeno, v različnih načinih ali smereh.

Pinout čipa 8255 PPI

Arhitektura čipa 8255 PPI

Načini delovanja in princip delovanja čipa 8255 PPI

Intel 8255 služi kot programabilni vmesnik med CPU-jem in zunanjimi napravami, ki prevaja delovanje vodila v vzporedne prenose podatkov. Njegovo delovanje urejajo koraki inicializacije in izbirni načini:

Ponastavi stanje

Ob vklopu ali ponastavitvi so vsa vrata (A, B in C) privzeto v vhodni način, da se prepreči poškodba zunanjih naprav z nenamernimi izhodi.

Inicializacija

CPU mora poslati kontrolno besedo, ki konfigurira vsa vrata kot vhod/izhod in izbere enega od štirih načinov delovanja. Dokler tega ne storite, ostanejo vrata neaktivna.

Načini delovanja

Način nastavitve/ponastavitve bitov (BSR)

• Velja samo za pristanišče C.

• Omogoča nastavitev ali brisanje posameznih bitov za naloge nadzora / stanja.

Način 0 – Preprosti V/I

• Osnovni vhod/izhod brez rokovanja.

• Uporablja se za enostavne prenose, kot so LED, stikala in zasloni.

Način 1 – Strobed V/I

• Doda signale rokovanja (STB, ACK, IBF, OBF) prek vrat C.

• Zagotavlja sinhroniziran prenos perifernih podatkov CPU-ja ↔.

Način 2 – Dvosmerni V/I

• Na voljo samo v pristanišču A.

• Podpira dvosmerni prenos s krmiljenjem rokovanja, uporaben za hitre ali asinhrone naprave.

Operacije branja/pisanja

• Pisanje: CPU postavi podatke na sistemsko vodilo, 8255 pa dekodira naslovne vrstice (A0, A1), da jih usmeri na izhodni zapah pravilnih vrat.

• Branje: Zunanje naprave dajejo podatke na vrata linij, ki jih 8255 zaskoči in da na voljo CPU-ju med ukazom za branje.

Sinhronizacija

• V načinu 0 se prenos podatkov izvede neposredno brez rokovanja.

• V načinih 1 in 2 signali rokovanja iz vrat C usklajujejo pripravljenost in sprejemanje, kar preprečuje izgubo podatkov med hitrimi ali asinhronimi prenosi.

Premisleki o povezovanju čipa 8255 PPI

Pri načrtovanju sistemov z 8255 skrbno povezovanje zagotavlja zanesljivost in preprečuje poškodbe čipa in zunanjih naprav:

• Privzeto stanje vnosa – ob ponastavitvi so vsa vrata privzeto vhodna. S tem se izognete konfliktom, vendar tudi pomeni, da so izhodi neaktivni, dokler niso konfigurirani. CPU mora vedno poslati kontrolno besedo, da pravilno določi smer in način, preden poskusi komunikacije.

• Omejitve izhodnega pogona - Vrata 8255 lahko pridobivajo ali potopijo le omejen tok (nekaj miliamperov). Neposredna vožnja težkih bremen, kot so svetilke, solenoidi ali releji, ni varna. Namesto tega se običajno uporabljajo medpomnilniki ali gonilniki IC, kot je ULN2803 (Darlingtonova matrika) ali vrata z odprtim kolektorjem, kot je 7406. Ti zagotavljajo večjo tokovno zmogljivost in ščitijo PPI.

• Krmiljenje motorja - Za enosmerne motorje ali koračne motorje se vrata 8255 ne smejo neposredno povezati. Namesto tega morajo biti izhodi usmerjeni skozi tranzistorske stopnje ali vezja gonilnika H-mostu. Ta razporeditev omogoča dvosmerni pretok toka, medtem ko izolira PPI od induktivnih napetostnih konic.

• Preklapljanje izmenične obremenitve - Vmesnik z napravami AC zahteva izolacijo zaradi varnosti. Mehanski releji ali polprevodniški releji (SSR), ki se poganjajo skozi odbojniške stopnje, zagotavljajo, da 8255 obdeluje samo krmilne signale, medtem ko se dejanska visokonapetostna obremenitev varno preklopi zunaj.

• Omejitve vrat C - Biti vrat C niso vedno prosto uporabni kot splošni V/I. V načinih 1 in 2 je več zatičev (npr. STB, ACK, IBF, OBF) samodejno rezerviranih za nadzor rokovanja. Upoštevati morate te rezervirane vrstice, da se izognete konfliktom pri mešanju splošnih V/I s stiskom roke.

Prednosti čipa 8255 PPI

• Združljivost CPU - 8255 brezhibno deluje s procesorji, kot so Intel 8085, 8086 in njihove združljivosti. Njegova zasnova se ujema s standardnimi protokoli vodil, zaradi česar je integracija enostavna brez dodatne logike lepila.

• Prilagodljiva konfiguracija vrat - S tremi 8-bitnimi vrati (A, B, C) jih lahko uporabniki konfigurirajo kot vhod, izhod ali mešanico, odvisno od aplikacije. Možnost preklapljanja med preprostimi V / I (način 0) in komunikacijo, ki jo poganja rokovanje (načini 1 in 2), omogoča istemu čipu obvladovanje najrazličnejših nalog.

• Delovanje z enim napajanjem - 8255 deluje iz standardnega napajanja +5 V, zato je enostaven za napajanje v sistemih, ki temeljijo na TTL. Posebni regulatorji ali več napetostnih ravni niso potrebni, kar poenostavlja zasnovo plošče.

• Zanesljiv vzporedni prenos podatkov - Čip zagotavlja stabilno in predvidljivo 8-bitno vzporedno komunikacijo, kar zmanjšuje časovne negotovosti. Zaradi te zanesljivosti je primeren za vožnjo zaslonov, branje senzorjev in upravljanje krmilnih signalov v dejanskih sistemih.

• Izobraževalna vrednost - Ker je dobro dokumentiran in široko dostopen, je 8255 ključno učno orodje v mikroprocesorskih laboratorijih in kompletih za usposabljanje. Koncepte povezovanja V / I lahko hitro razumete s praktičnimi poskusi s to napravo.

Uporaba čipa 8255 PPI

• Izobraževalni sistemi - Kompleti za usposabljanje in laboratorijske plošče pogosto vključujejo 8255 za prikaz konceptov perifernega vmesnika. Lahko vadite programiranje različnih načinov in opazujete dejansko interakcijo z zunanjimi napravami.

• Nadzor zaslona - Čip poganja vizualne izhodne naprave, kot so sedemsegmentne LED, LCD moduli in alfanumerične plošče. S svojimi več V/I linijami lahko osveži zaslone ali pošlje krmilne ukaze voznikovim IC-jem.

• Vmesnik tipkovnice – Matrične tipkovnice v zgodnjih terminalih in osebnih računalnikih so bile pogosto skenirane z uporabo 8255. S konfiguracijo nekaterih vrstic kot gonilnikov vrstic in drugih kot senzorjev stolpcev je učinkovito zaznal pritiske tipk.

• Krmiljenje motorja - Koračni motorji in enosmerni motorji se lahko nadzorujejo, ko je 8255 seznanjen s tranzistorskimi stopnjami, Darlingtonovimi nizi ali H-mostovi. Zaradi tega je bil uporaben v robotiki, sistemih za pozicioniranje in projektih avtomatizacije.

• Pridobivanje podatkov – Ko je priključen na ADC (analogno-digitalni pretvorniki) in DAC-je (digitalno-analogni pretvorniki), je 8255 zagotovil popoln vmesnik za merilne in kontrolne naloge. To je mikroprocesorjem omogočilo obdelavo signalov v znanstveni in industrijski opremi.

• Industrijska avtomatizacija - 8255 je našel uporabo pri nadzoru prometnih signalov, logike dvigal in plošč za spremljanje procesov. Njegova sposobnost zanesljivega upravljanja več vhodov in izhodov je postala poceni rešitev za vgrajene krmilne sisteme.

• Retro-računalništvo - Klasični stroji, kot so računalniki IBM PC / XT in MSX, so uporabljali 8255 za periferno povezovanje. Uporabljali so ga tudi v tiskalnikih in razširitvenih karticah, kar je utrdilo njegovo mesto v zgodnji zgodovini osebnih računalnikov.

Primerjava čipov 8255 PPI z drugimi IPČ

9,1 8255 proti 8155

Intel 8155 združuje več funkcij v enem paketu: ponuja majhen blok statičnega RAM-a, programabilni časovnik in splošna V / I vrata. Zaradi tega je bil primeren za kompaktne sisteme, kjer je bil potreben pomnilnik in nadzor časa. V nasprotju s tem se 8255 v celoti osredotoča na programabilne V / I, brez vgrajenega pomnilnika ali časa. Njegova enostavnejša zasnova je bila cenejša in lažja za programiranje, ko aplikacija ni potrebovala integriranega RAM-a ali časovnikov.

9,2 8255 proti 8259

Programabilni krmilnik prekinitev 8259 služi zelo drugačnemu namenu: upravljanje prekinitev strojne opreme, da se CPU hitro odzove na zunanje dogodke. Medtem ko 8255 obravnava vzporedni V / I prenos podatkov, 8259 koordinate prekinejo signale. V mnogih sistemih, ki temeljijo na mikroprocesorjih, sta bila oba čipa uporabljena skupaj, 8255 za povezovanje z napravami, kot so tipkovnice in zasloni, in 8259 za upravljanje zahtev za prekinitev, ki jih ustvarijo te naprave.

8255 v primerjavi s sodobnimi GPIO razširjevalniki

Današnji sistemi pogosto uporabljajo I²C ali SPI GPIO ekspanderje (kot sta MCP23017 ali PCF8574). Te naprave zagotavljajo dodatne V / I zatiče z manj povezavami, prihranijo prostor na plošči in zmanjšajo število pinov na CPU. Vendar pa delujejo serijsko, kar je lahko počasnejše v primerjavi z neposrednim vzporednim dostopom 8255. Medtem ko 8255 zahteva več avtobusnih linij, njegova vzporedna struktura omogoča hitrejše prenose in je zelo dragocena v izobraževalnih okoljih, kjer sta neposreden nadzor posameznih zatičev in razumevanje časa avtobusov pomembna za učenje.

Odpravljanje težav in pogosta vprašanja

Delo z 8255 lahko včasih povzroči sistemske napake, če se pravila oblikovanja ne upoštevajo skrbno. Pogosta vprašanja in pravna sredstva vključujejo:

• Neinicializirana vrata – Po ponastavitvi so vsa vrata privzeto v vhodni način. Če CPU ne pošlje ustrezne kontrolne besede, izhodi ostanejo neaktivni ali se obnašajo nepredvidljivo. Pred branjem ali zapisovanjem podatkov vedno programirajte kontrolni register.

• Nepravilne kontrolne besede – Napačno konfigurirane kontrolne besede lahko vratom dodelijo napačne smeri ali načine in zaklenejo pričakovane signale. Navzkrižno preverite vrednosti kontrolnih besed s tabelami podatkovnih listov, da zagotovite ustrezne nastavitve bitov.

• Napake pri rokovanju – v načinih 1 in 2 vrata C zagotavljajo potrebne signale rokovanja (STB, ACK, IBF, OBF). Manjkajoče, napačno povezane ali napačno interpretirane povezave vodijo do zastoja ali izgube prenosov. Previdno preverite pričakovanja ožičenja in logične ravni priključenih naprav.

• Preobremenitev izhodov - Vsak zatič vrat lahko prenese le majhne tokove. Neposredna vožnja LED diod je možna z uporniki, vendar motorji, releji in svetilke zahtevajo zunanje medpomnilniške stopnje, kot so tranzistorski nizi ali gonilniki IC. Neupoštevanje te omejitve tvega trajno poškodbo čipa.

• Spori vodil – če več naprav poskuša hkrati poganjati sistemsko vodilo, lahko pride do poškodbe podatkov ali strojne opreme. Ustrezna arbitraža avtobusov in uporaba signalov za omogočanje (RD', WR', CS') preprečujeta to težavo.

• Orodja za odpravljanje napak – Ko težave ne odpravijo, testna oprema pomaga izolirati napake. Logični analizatorji lahko potrdijo časovne in krmilne signale, medtem ko lahko osciloskopi preverijo, ali je težava posledica hrupnega ožičenja strojne opreme ali nepravilne inicializacije programske opreme.

Zaključek

Intel 8255 PPI ostaja temelj mikroprocesorskega vmesnika. Čeprav ga v veliki meri nadomeščajo sodobni GPIO ekspanzerji in vgrajeni mikrokrmilniki V / O, še naprej služi kot aktivno učno orodje. Njegova jasnost pri prikazu vzporednega prenosa podatkov, konfiguracije vrat in rokovanja je neprecenljiva za vsakogar.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

Kaj je kontrolna beseda v 8255 in zakaj je pomembna?

Nadzorna beseda je 8-bitno navodilo, ki ga pošlje CPU za konfiguracijo vrat in načinov 8255. Brez tega ostanejo vsa vrata v privzetem vhodnem stanju. Določa, ali posamezna vrata delujejo kot vhod ali izhod in izbira med načini 0, 1, 2 ali nastavitev / ponastavitev bitov.

Ali lahko 8255 neposredno poganja motorje ali releje?

Ne. Izhodi 8255 lahko pridobijo ali potopijo le nekaj miliamperov, kar ni dovolj za motorje ali releje. Zunanja gonilniška vezja, kot so tranzistorski nizi ali H-mostovi, je treba uporabiti za varno ravnanje z višjim tokom.

Zakaj se 8255 še danes uporablja v izobraževanju?

8255 ponuja jasen, praktičen način za spoznavanje mikroprocesorskih V / I, krmilnih besed in vzporednega prenosa podatkov. Njegova preprosta arhitektura pomaga študentom razumeti temeljne koncepte, preden preidejo na sodobne mikrokrmilnike.

Kaj se zgodi, če uporabljate vrata C v načinih rokovanja?

V načinih 1 in 2 so nekatere linije vrat C rezervirane za signale rokovanja (kot so STB, ACK, IBF, OBF). Teh zatičev ni mogoče uporabiti kot V/I za splošne namene v teh načinih, kar morate upoštevati, da se izognete sporom.

Kako se 8255 razlikuje od sodobnih GPIO ekspanderjev?

Za razliko od I²C / SPI ekspanderjev, ki uporabljajo serijsko komunikacijo, 8255 deluje z vzporednim vodilom, kar omogoča hitrejše prenose, vendar zahteva več zatičev. Zaradi tega je 8255 manj prostorsko učinkovit, vendar dragocen za dejanski nadzor in učenje časa avtobusa.