面對(duì)不斷發(fā)展和多樣化的應(yīng)用程序需求，數(shù)據(jù)中心面臨著提高運(yùn)營(yíng)效率并最大化其在硬件基礎(chǔ)設(shè)施中的 IT 投資的艱巨任務(wù)。僅去年一年，全球數(shù)據(jù)中心在服務(wù)器和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施上的支出就超過(guò)140億美元，但仍然沒(méi)有以最高效率運(yùn)行。

需要新的架構(gòu)來(lái)更好地利用和優(yōu)化跨越計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)的硬件資產(chǎn)。在將物理計(jì)算、內(nèi)存和存儲(chǔ)資源視為可組合構(gòu)建塊的情況下，實(shí)現(xiàn)資源敏捷性是提高效率和消除閑置和未充分利用資產(chǎn)的關(guān)鍵。

微控制器 （MCU） 最基本的元素之一是 I/O – 引腳數(shù)量、灌電流和拉電流強(qiáng)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(nèi)存大小之間可能會(huì)出現(xiàn)不匹配。通常，可用的I / O越多，包含的內(nèi)存就越多，這使得微控制器更加昂貴。

I/O 擴(kuò)展器通過(guò)串行通信（通常為 I 2C 或 SPI）為主微控制器提供額外的 I/O 組。I/O擴(kuò)展器的常見(jiàn)用例包括簡(jiǎn)化PCB布線、改善功耗和物理縮小主微控制器。

參見(jiàn)圖1。I/O 擴(kuò)展器的使用示例

I/O擴(kuò)展器ASIC是一種常見(jiàn)的商品，但是每個(gè)ASIC的功能和用例略有不同，這可能會(huì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中引起頭痛。然而，I/O擴(kuò)展器是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字設(shè)備，可以使用微控制器進(jìn)行仿真，例如新的PIC16F15244系列。與相關(guān)的基于 ASIC 的解決方案相比，這可以產(chǎn)生更大的設(shè)計(jì)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占上風(fēng)。

為了演示此概念的靈活性，我們創(chuàng)建了 2 個(gè)單獨(dú)的代碼示例。第一個(gè)代碼示例是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器。與該項(xiàng)目相關(guān)的固件可以輕松定制，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化通信。第二個(gè)代碼示例是一個(gè)非常靈活的“高級(jí)”I/O 擴(kuò)展器，它旨在允許通過(guò) I2C 控制幾乎所有 I/O 設(shè)置，而不是依賴于預(yù)設(shè)功能。

兩個(gè) I/O 擴(kuò)展器示例具有共同的功能和大部分代碼庫(kù)。與許多I2 C器件一樣，尋址線分配給一些未使用的I/O，以設(shè)置I2C地址的一些位，這提供了設(shè)計(jì)靈活性，無(wú)需額外編程。與ASIC不同，這些分配可以在軟件中更改，重新路由或重新排序。此外，該器件還提供一條外部中斷線 （INT），以發(fā)出 I/O 電平變化的信號(hào)。對(duì)于公共線路，INT 可以是漏極開(kāi)路，也可以是推挽式（如果該線路是專用的）。

簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器

在深入了解高級(jí) I/O 擴(kuò)展器之前，讓我們看一下簡(jiǎn)單的擴(kuò)展器。在此示例中，每個(gè) I/O 線都有兩種連續(xù)狀態(tài)（假設(shè)代碼未修改）：弱上拉輸入或輸出 LOW。弱上拉允許I/O擴(kuò)展器在用作輸入時(shí)定義邏輯電平，并且它還關(guān)閉通常會(huì)將電流吸收到擴(kuò)展器中的連接電路。該器件內(nèi)部弱上拉的強(qiáng)度約為 10 或 100 μA。

低輸出是一個(gè)更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)I/O能夠吸收高達(dá)25mA的電流，整個(gè)器件的電流為300mA（-40C至+85C）。有關(guān)這些限制的更多信息，請(qǐng)參閱器件數(shù)據(jù)表的電氣特性部分。從輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換到輸入狀態(tài)時(shí)可能遇到的一個(gè)問(wèn)題是I/O線路上寄生電容的充電時(shí)間。該電容會(huì)導(dǎo)致從0到1的轉(zhuǎn)換延遲，這可能會(huì)觸發(fā)變化時(shí)中斷電路。為了將這些影響降至最低，可以將簡(jiǎn)單的I/O擴(kuò)展器配置為暫時(shí)打開(kāi)高端I/O驅(qū)動(dòng)器，以便在切換到弱上拉之前快速對(duì)該電容進(jìn)行充電。

參見(jiàn)圖2。I/O 線的轉(zhuǎn)換

高端 I/O 驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行時(shí)間可在軟件中配置，如果需要，可以禁用。下圖顯示了使用這種方法增強(qiáng)的上升時(shí)間 - 注意圖像中時(shí)間尺度從20μs/div到40ns/div的變化。注意：我們不建議在任何配置下直接驅(qū)動(dòng)電容器。

參見(jiàn)圖 3。無(wú)高端 I/O – 1nF 負(fù)載

參見(jiàn)圖 4。高端 I/O 開(kāi)啟 – 1nF 負(fù)載

簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器 – 通信

I2C與這個(gè)例子的通信也非常簡(jiǎn)單。完整的I 2 C通信只需要2個(gè)字節(jié)的讀寫。在I2C寫入中，數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)是一個(gè)位圖，它將每個(gè)I/O行（由單個(gè)位表示）設(shè)置為輸入或輸出。發(fā)送的所有其他數(shù)據(jù)字節(jié)都將被丟棄，開(kāi)發(fā)人員可以省略。

參見(jiàn)圖 5。簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫入

在I2C讀取中，從器件讀取的字節(jié)是一個(gè)位圖，表示每個(gè)I/O行的數(shù)字值，可通過(guò)PORT寄存器在內(nèi)部訪問(wèn)。

參見(jiàn)圖 6。簡(jiǎn)單 I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器

開(kāi)發(fā)高級(jí) I/O 擴(kuò)展器的目標(biāo)是提供比上面顯示的簡(jiǎn)單變體功能更全面的程序。由于串行通信極其簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的I/O擴(kuò)展器具有許多局限性，并且無(wú)法利用PIC16F15244系列中可用的以I/O為中心的功能，例如輸入電平控制、漏極開(kāi)路輸出、變化時(shí)可屏蔽中斷和弱上拉使能。

相比之下，這個(gè)更復(fù)雜的示例可以配置板載I/O的幾乎所有功能。為了實(shí)現(xiàn)此功能集，程序使用查找表來(lái)確定要訪問(wèn)的寄存器或要執(zhí)行的功能。圖7顯示了一個(gè)示例應(yīng)用，其中微控制器充當(dāng)鍵盤控制器，在按下按鍵時(shí)通知主微控制器。（此示例將在以后的帖子中展開(kāi)。

參見(jiàn)圖 7。高級(jí) I/O 擴(kuò)展器作為帶鎖定指示器的鍵盤控制器

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 – 程序結(jié)構(gòu)

圖8是器件中“寄存器”的查找表。表中的某些寄存器實(shí)際存在于每個(gè)PIC16F15244系列器件上，例如TRIS和LAT，而其他寄存器（如ERROR）是“虛擬的”。虛擬寄存器特定于此程序，僅存在于RAM中。

參見(jiàn)圖 8。I/O 高級(jí)擴(kuò)展器的寄存器映射

這種查找表結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(guān)鍵設(shè)置的機(jī)會(huì)。

查找表分為兩個(gè)單獨(dú)的函數(shù)，用于讀取和寫入。這將創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的權(quán)限方案，但代價(jià)是代碼大小。例如，要?jiǎng)?chuàng)建只讀函數(shù)，只需從寫入查找表中省略地址即可。

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 – 通信

與此示例的通信比簡(jiǎn)單的 I/O 擴(kuò)展器更復(fù)雜。在執(zhí)行讀取或?qū)懭胫?，控制器必須指示要開(kāi)始讀取或?qū)懭氲牡刂贰?/p>

I2C 寫入使用第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)來(lái)設(shè)置要開(kāi)始的地址。然后，下一個(gè)字節(jié)用于加載該地址的數(shù)據(jù)。然后，地址將遞增以發(fā)送數(shù)據(jù)的下一個(gè)字節(jié)。只要地址仍然可寫且有效，此過(guò)程就可以重復(fù)，如下所示。如果寫入了無(wú)效或只讀地址，則地址不會(huì)遞增，并且設(shè)備不會(huì)確認(rèn) （NACK） 以指示發(fā)生了錯(cuò)誤。

參見(jiàn)圖 9。高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫入流程圖

參見(jiàn)圖 10。高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 寫入

對(duì)于 I2C 讀取，必須首先設(shè)置要讀取的地址。通常，這是通過(guò)寫入設(shè)備的單個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)完成的，盡管某些操作可能會(huì)為方便起見(jiàn)自動(dòng)設(shè)置地址。I2C 總線停止，然后在讀取模式下再次啟動(dòng)。

讀取的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)生在地址集。讀取此字節(jié)后，地址將遞增，因此下一次讀取發(fā)生在地址 + 1、地址 + 1 處，依此類推。如果遇到無(wú)效區(qū)域或只寫區(qū)域，則程序?qū)⑼Ｖ惯f增地址并返回2x0，直到停止讀取。圖00顯示了兩個(gè)寄存器的示例讀取。

參見(jiàn)圖 11。高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取流程圖

請(qǐng)參見(jiàn)圖 12。高級(jí) I/O 擴(kuò)展器，I2C 讀取

高級(jí) I/O 擴(kuò)展器 – 功能

該程序存儲(chǔ) 8 個(gè) I/O 相關(guān)設(shè)置，所有這些設(shè)置都更詳細(xì)地記錄在器件數(shù)據(jù)表中。唯一未保存的 I/O 設(shè)置是模擬選擇 （ANSEL） 和端口。假設(shè) I/O 擴(kuò)展器始終是數(shù)字的，因此 ANSEL 是一個(gè)常量值。PORT 值是 I/O 組的邏輯電平，取決于電路條件。

當(dāng)引用這些寄存器時(shí)，“x”（例如：TRISx）是指可以分配的可選I/O組。默認(rèn)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）。

·鎖存器 ［LATx］ – 設(shè)置 I/O 驅(qū)動(dòng)程序的輸出值。

·更改時(shí)中斷正邊沿 ［IOCxP］ – 啟用所選引腳上的上升沿是否生成中斷。

·更改時(shí)中斷負(fù)邊沿 ［IOCxN］ – 啟用所選引腳上的下降沿是否生成中斷。

·弱上拉 ［WPUx］ – 為每個(gè)選定的 I/O 啟用弱上拉。

? 輸入電平控制 ［INLVLx］ – 為每個(gè)引腳選擇 TTL 或施密特觸發(fā)器 CMOS 輸入閾值。

? 漏極開(kāi)路控制 ［ODCONx］ – 為所選引腳啟用漏極開(kāi)路輸出功能。

? 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(jí) I/O 擴(kuò)展器 – 內(nèi)存操作

作為附加功能，此代碼示例支持還原默認(rèn)設(shè)置、保存、加載或保存并將其設(shè)置加載到內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器的功能。PIC16F15244系列沒(méi)有EEPROM，但是通過(guò)啟用存儲(chǔ)區(qū)域閃存（SAF），可以將一小部分程序閃存（PFM）標(biāo)記為不可執(zhí)行。

參見(jiàn)圖 13。內(nèi)存存儲(chǔ)

圖 13 顯示了內(nèi)部存儲(chǔ)配置的方式。僅使用單個(gè)內(nèi)存行（32 個(gè) 14 位字）來(lái)存儲(chǔ)設(shè)置。此配置簡(jiǎn)化了內(nèi)存管理，并將剩余的不可執(zhí)行內(nèi)存留給其他用途。

可配置的 I/O 設(shè)置與簡(jiǎn)單的（軟件創(chuàng)建的）CRC-8 校驗(yàn)和一起保存到 PFM 中，以驗(yàn)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(gè)配置的前4個(gè)設(shè)置。

參見(jiàn)圖 14。內(nèi)存操作字節(jié)

如果加載的配置未通過(guò)校驗(yàn)和驗(yàn)證，則不會(huì)將其加載到相應(yīng)的寄存器中。對(duì)于內(nèi)存負(fù)載，I/O引腳行為可以在內(nèi)存操作字節(jié)中指定，如圖14所示。如果負(fù)載失敗，引腳將保持該狀態(tài)，直到重新配置。

I/O 設(shè)置可以保存并加載到運(yùn)行時(shí)四種配置中的任何一種。作為編譯選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)人員或設(shè)計(jì)人員可以將設(shè)備設(shè)置為在啟動(dòng)時(shí)嘗試加載配置 0，而不是默認(rèn)值，這可以用作不需要完全重新編程操作的簡(jiǎn)單固件更新。如果配置 0 未通過(guò) CRC 驗(yàn)證，程序?qū)⑹褂媚J(rèn) I/O 設(shè)置啟動(dòng)。

設(shè)備上的默認(rèn) I/O 設(shè)置定義為常量，開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要設(shè)置這些常量。程序不會(huì)修改這些默認(rèn)值，并被視為已知的良好值。運(yùn)行內(nèi)存操作“加載默認(rèn)值”將使用這些默認(rèn)值加載寄存器。

作為故障保護(hù)，所有內(nèi)存操作（不包括啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載）都需要特定的字節(jié)序列來(lái)“解鎖”操作。這減少了軟件故障擦除或覆蓋設(shè)置的可能性。

結(jié)論

如本文所示，在需要I/O配置靈活性或在單個(gè)系統(tǒng)中利用大量I/O擴(kuò)展器的應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的8位微控制器可以合理地替代通用I/O擴(kuò)展器ASIC。這兩個(gè)示例所需的固件可通過(guò)以下鏈接在 Github 上找到。Github中還提供了使用Arduino Uno的高級(jí)I / O Expander的演示庫(kù)和代碼。

審核編輯：郭婷