描述

微控制器 (MCU) 最基本的元素之一是 I/O——引腳數量、接收器和源強度以及可用的功能。在某些情況下，系統(tǒng)的 I/O 需求與微控制器的內存大小可能會出現不匹配。通常，可用的 I/O 越多，包含的內存就越多，這使得微控制器更昂貴。

I/O 擴展器通過串行通信（通常是I2C或 SPI ）向主微控制器提供額外的 I/O bank 。I/O 擴展器的常見用例包括簡化 PCB 布線、改善功耗和縮小主微控制器的物理尺寸。

圖 1. I/O 擴展器的使用示例

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I/O 擴展器 ASIC是一種常見商品，但每個 ASIC 的功能和用例略有不同，這可能會在設計過程中引起頭痛。然而，I/O 擴展器是一種相對簡單的數字設備，可以使用微控制器進行仿真，例如新的PIC16F15244 系列。與相關的基于 ASIC 的解決方案相比，這可以產生更多的設計靈活性、功能，甚至更低的物料清單 (BOM) 成本。然而，由于更專業(yè)的硬件，基于 ASIC 的解決方案在空間和功率效率方面具有優(yōu)勢。

為了展示這個概念的靈活性，我們創(chuàng)建了 2 個單獨的代碼示例。第一個代碼示例是一個非常簡單的 I/O 擴展器。可以輕松定制與該項目相關的固件，以進一步簡化通信。第二個代碼示例是一個非常靈活的“高級”I/O 擴展器，其設計目的是允許通過 I2C 控制幾乎每個 I/O 設置，而不是依賴于預設功能。

這兩個 I/O 擴展器示例具有共同的特性和大部分代碼庫。與許多 I2C 設備一樣，尋址線被分配給一些未使用的 I/O 以設置 I2C 地址的一些位，這在設計中提供了靈活性，而無需額外編程。與 ASIC 不同，這些分配可以在軟件中更改、重新路由、刪除或重新排序。此外，該器件還提供了一條外部中斷線 (INT) 來發(fā)出 I/O 電平變化的信號。INT 可以是公共線路的漏極開路，如果該線路是獨占的，則可以是推挽式。

簡單 I/O 擴展器

在深入了解高級 I/O 擴展器之前，讓我們看一下簡單的擴展器。在本例中，每條 I/O 線有兩種連續(xù)狀態(tài)（假設代碼未修改）：弱上拉輸入或輸出 LOW。弱上拉允許 I/O 擴展器在用作輸入時定義邏輯電平，并且它還關閉通常會將電流吸入擴展器的連接電路。該器件的內部弱上拉強度約為 10s 或 100s μA。

LOW 輸出是一個更強大的驅動器，每個 I/O 能夠吸收高達25mA 的電流，整個設備的電流為 300mA（-40C 至 +85C）。有關這些限制的更多信息，請參閱器件數據表的電氣特性部分。從輸出狀態(tài)轉換到輸入狀態(tài)時可能遇到的一個問題是 I/O 線上存在的寄生電容的充電時間。該電容會導致從 0 到 1 的轉換延遲，這可能會觸發(fā)變化時中斷電路。為了最大限度地減少這些影響，可以將簡單的 I/O 擴展器配置為在切換到弱上拉之前暫時打開高側 I/O 驅動器以快速對該電容進行充電。

圖 2. I/O 線的轉換

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高側 I/O 驅動程序的運行時間可在軟件中配置，并且可以根據需要禁用。下圖顯示了這種方法對上升時間的增強——注意圖像中時間尺度從 20μs/div 到 40ns/div 的變化。注意：我們不建議在任何配置中直接驅動電容器。

圖 3. 無高端 I/O – 1nF 負載

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圖 4. 高側 I/O 開啟 – 1nF 負載

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簡單 I/O 擴展器 – 通信

這個例子的 I2C 通信也非常簡單。完整的 I2C 通信只需要 2 個字節(jié)用于讀取和寫入。在 I2C 寫入中，數據的第一個字節(jié)是一個位圖，它將由單個位表示的每個 I/O 線設置為輸入或輸出。發(fā)送的所有其他數據字節(jié)都被丟棄，開發(fā)人員可以省略。

圖 5. 簡單 I/O 擴展器，I2C 寫入

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在 I2C 讀取中，從設備讀取的字節(jié)是一個位圖，表示每個 I/O 線上的數字值，可通過 PORT 寄存器在內部訪問。

圖 6. 簡單 I/O 擴展器，I2C 讀取

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高級 I/O 擴展器

開發(fā)高級 I/O 擴展器的目標是提供比上面顯示的簡單變體功能更全面的程序。由于極其簡單的串行通信，簡單的 I/O 擴展器具有許多限制，并且無法利用PIC16F15244 系列中提供的以 I/O 為中心的功能，例如輸入電平控制、開漏輸出、可屏蔽的變化中斷和弱上拉使能。

相比之下，這個更復雜的示例可以配置板載 I/O 的幾乎所有功能。為了實現這個功能集，程序使用查找表來確定訪問哪個寄存器或執(zhí)行什么功能。圖 7 顯示了一個示例應用程序，其中微控制器充當鍵盤控制器，在按鍵被按下時通知主微控制器。（這個例子將在以后的文章中展開。）

圖 7. 高級 I/O 擴展器作為帶鎖定指示燈的鍵盤控制器

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高級 I/O 擴展器 - 程序結構

圖 8 是器件中“寄存器”的查找表。表中的某些寄存器物理存在于每個 PIC16F15244 系列器件上，例如 TRIS 和 LAT，而其他寄存器（例如 ERROR）是“虛擬的”。虛擬寄存器特定于該程序并且僅存在于 RAM 中。

圖 8. I/O 高級擴展器的寄存器映射

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這種查找表結構的一個好處是可以靈活地重新排列寄存器，這可用于優(yōu)化串行通信或減少軟件故障干擾關鍵設置的機會。

查找表分為兩個單獨的函數用于讀取和寫入。這以代碼大小為代價創(chuàng)建了一個簡單可靠的權限方案。例如，要創(chuàng)建一個只讀函數，只需從寫查找表中省略地址即可。

高級 I/O 擴展器 - 通信

與此示例的通信比簡單的 I/O 擴展器更復雜。在執(zhí)行讀取或寫入之前，控制器必須已指示開始讀取或寫入的地址。

I2C 寫入使用第一個數據字節(jié)來設置起始地址。然后，下一個字節(jié)用于加載該地址的數據。然后為發(fā)送的下一個數據字節(jié)增加地址。只要地址仍然可寫且有效，此過程就可以重復，如下所示。如果寫入無效或只讀地址，則該地址不會遞增，并且設備不會確認 (NACK) 以發(fā)出錯誤已發(fā)生的信號。

圖 9. 高級 I/O 擴展器，I2C 寫入流程圖

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圖 10. 高級 I/O 擴展器，I2C 寫入

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對于 I2C 讀取，必須首先設置要讀取的地址。通常這是通過將單個數據字節(jié)寫入設備來完成的，盡管為方便起見，某些操作可能會自動設置地址。I2C 總線停止，然后以讀取模式再次啟動。

讀取的第一個數據字節(jié)出現在地址集。讀取此字節(jié)后，地址會遞增，因此下一次讀取發(fā)生在地址 + 1、地址 + 2 處，依此類推。如果遇到無效或只寫區(qū)域，則程序停止增加地址并返回 0x00，直到停止讀取。圖 12 顯示了兩個寄存器的讀取示例。

圖 11. 高級 I/O 擴展器，I2C 讀取流程圖

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圖 12. 高級 I/O 擴展器，I2C 讀取

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高級 I/O 擴展器 – 特性

該程序存儲了 8 個與 I/O 相關的設置，所有這些設置都在器件數據表中進行了更詳細的說明。唯一未保存的 I/O 設置是模擬選擇 (ANSEL) 和 PORT。假設 I/O 擴展器始終是數字的，因此 ANSEL 是一個常數值。PORT 值是存在于 I/O bank 上的邏輯電平，它取決于電路條件。

引用這些寄存器時，“x”（例如：TRISx）指的是可以分配的可選 I/O bank。默認情況下，此示例使用銀行 C。

• 三態(tài)方向控制 [ TRISx ] – 控制線路是輸出 (0) 還是輸入 (1)。
• Latch [ LATx ] – 設置 I/O 驅動器的輸出值。
• Interrupt-On-Change Positive Edge [ IOCxP ] ——啟用所選引腳上的上升沿是否產生中斷。
• Interrupt-On-Change Negative Edge [ IOCxN ] ——啟用所選引腳上的下降沿是否產生中斷。
• 弱上拉 [ WPUx ] – 為每個選定的 I/O 啟用弱上拉。
• 輸入電平控制 [ INLVLx ] ——為每個引腳選擇 TTL 或施密特觸發(fā)器 CMOS 輸入閾值。
• 開漏控制 [ ODCONx ] – 啟用所選引腳的開漏輸出功能。
• 壓擺率控制 [ SLRCONx ] – 啟用壓擺率限制以提高所選引腳的 EMI 性能。

高級 I/O 擴展器 - 內存操作

作為一項附加功能，此代碼示例支持恢復默認設置、保存、加載或保存并將其設置加載到內部非易失性存儲器的功能。PIC16F15244 系列沒有 EEPROM，但可以通過啟用存儲區(qū)閃存 (SAF) 將一小部分程序閃存 (PFM) 標記為不可執(zhí)行。

圖 13. 內存存儲

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圖 13 顯示了配置是如何在內部存儲的。只有一個存儲器行（32 個 14 位字）用于存儲設置。此配置簡化了內存管理，并將剩余的不可執(zhí)行內存留作其他用途。

可配置的 I/O 設置與一個簡單（軟件創(chuàng)建的）CRC-8 校驗和一起保存到 PFM，以驗證配置的完整性。為了將 CRC 打包到可用空間中，它被分成 2 位的塊并附加到每個配置的前 4 個設置。

圖 14. 內存操作字節(jié)

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如果加載的配置無法通過其校驗和驗證，則不會將其加載到適當的寄存器中。對于內存加載，可以在內存操作字節(jié)中指定 I/O 引腳行為，如圖 14 所示。如果加載失敗，引腳將保持該狀態(tài)，直到重新配置。

I/O 設置可以在運行時保存并加載到四種配置中的任何一種。作為編譯選項，開發(fā)人員或設計人員可以將設備設置為在啟動時嘗試加載配置 0 而不是默認值，這可以用作不需要完全重新編程操作的簡單固件更新。如果配置 0 未通過 CRC 驗證，程序將使用默認 I/O 設置啟動。

設備上的默認 I/O 設置被定義為常量，開發(fā)人員可以根據應用程序的需要進行設置。這些默認值不會被程序修改，并且被認為是已知的良好值。運行內存操作“l(fā)oad defaults”將使用這些默認值加載寄存器。

作為故障保險，所有內存操作（不包括啟動時的加載）都需要特定的字節(jié)序列來“解鎖”操作。這減少了軟件故障擦除或覆蓋設置的機會。

結論

如本文所示，在需要靈活 I/O 配置或在單個系統(tǒng)中使用大量 I/O 擴展器的應用中，簡單的 8 位微控制器可以合理地替代通用 I/O 擴展器 ASIC。這兩個示例所需的固件可通過以下鏈接在 Github 上獲得。使用 Arduino Uno 的高級 I/O 擴展器的演示庫和代碼也在 Github 中提供。

這是 3 部分博客文章系列的第 1 部分。下一篇文章將介紹如何利用先進的 I/O 擴展器來控制 7 段顯示器。

對于本系列的第 2 部分，介紹使用I/O 擴展器來控制 7 段顯示器，請參閱此 Hackster Post。

對于本系列的最后一部分，包括使用 I/O 擴展器創(chuàng)建鍵盤控制器，請參閱此 Hackster 帖子。