Les périphériques ou interfaces
Interfaces parallèles
Présentation
Une interface parallèle (ou port parallèle) permet d'échanger des données entre le processeur et les autres circuits numériques en utilisant un conducteur électrique par bit. Une valeur entière N exprimée sur q bits est transmise sur q+1 ou bien 2q conducteurs électriques suivant le nombre de potentiels de masse nécessaires.
Les interfaces parallèles peuvent être utilisées pour faire l'acquisition de valeurs de capteur "tout ou rien" comme les interrupteurs, les capteurs de présences, les codeurs, ...
Elles peuvent également être utilisées pour la communication avec d'autres circuits.
- Il faut ajouter des signaux de contrôle à ces lignes de données, car tout échange de données doit être "synchronisé" entre l’émetteur et le récepteur.
- Elle utilise au moins deux signaux de contrôle :
- Le circuit émetteur positionne les données, puis active un signal (strobe) pour signifier au récepteur que les données sont prêtes.
- Le circuit récepteur, lorsqu’il détecte le signal de contrôle de l’émetteur, lit les données, puis active le signal d’acquittement (ACK) pour préciser à l’émetteur que les données ont été prises en compte.
- Un vieil exemple est le port imprimante des ordinateurs.
Les ports parallèles de l'atmega8
Ils sont au nombre de 3 et sont les ports B et D sur 8 bits et le port C sur 7 bits. Chaque bit de ces ports est relié à une broche du circuit.
Le schéma est extrait de la documentation de l'atmega 8
Cette broche peut être utilisée comme entrée ou sortie. Le choix du sens entrée ou sortie est programmable. Lorsque la sortie est en haute impédance, elle peut être utilisée comme entrée. Il existe également une entrée directe qui permet, par exemple de contrôler si le niveau logique de la broche de sortie correspond à la valeur logique programmée.
- Pxn est la broche physique du circuit qui est connecté aux broches des autres circuits.
- DDxn est le registre qui gère la mise en haute impédance de la broche du circuit.
- PORTxn est le registre qui positionne la valeur de la broche en sortie.
- PINxn permet de connaître en permanence la valeur de la broche du circuit.
- Le transistor MOS commandé par PUD permet de connecter une résistance au +Vcc pour garantir un état logique haut en entrée si la broche n'est pas connectée. Cette résistance se nomme résistance de "pull-up".
Tous les registres sont synchronisés par les signaux de contrôles du processeur comme l'horloge et les signaux de lecture-écriture.
Partages des périphériques
Comme beaucoup de microcontrôleurs, les broches de l'atmega8 sont multi-fonctions, c'est à dire que chaque broche est associée à plusieurs interfaces. Parmi ces interfaces, on peut citer :
- L'interface série utilise les bits 0 et 1 du port D
- L'interface SPI qui utilise les bits 2 à 5 du port B
- L'interface I2C qui utilise les bits 4 et 5 du port C
Interfaces séries
Présentation
Une interface série permet d'échanger des données entre le processeur et les autres circuits numériques en utilisant un seul conducteur pour transmettre tous les bits de manière séquentielle dans le temps.
- simplex : un seul sens de transmission de données comme par exemple les chaînes de télévision, les chaînes radio
- semi-duplex (half-duplex) : deux sens de transmission de données en alternance avec une procédure de changement de sens.
- duplex intégral (full-duplex) : deux sens simultanés de transmission, on a un canal physique par sens de transmission
- Asynchrone
- Transmission octet par octet
- Chaque octet est précédé d'un bit de start
- Synchrone
- Transmission par trame de bits
- Utilisation d'un signal d'horloge pour la synchronisation qui peut être un signal physique supplémentaire, un signal mélangé avec le signal de donnée, ou encore une entête contenant des octets connus pour permettre la synchronisation.
Transmission asynchrone
Caractéristiques générales
L'émetteur et le récepteur doivent avoir les mêmes configuration afin que l'échange puisse se faire sans erreurs. Ces paramètres sont :
- La vitesse de transmission exprimée en bauds :
110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600, 1843200, 3686400 - Le nombre de bits de la donnée qui peut être 7 ou 8
- La parité pour le contrôle d'erreurs. La parité permet seulement de compter le nombre de bits à 1 ou 0.
Les paramètres de l'émetteur et du récepteur doivent être identique afin de permettre une transmission sans erreurs.
- Emetteur :
les bits sont transmis au rythme de l'horloge avec une fréquence définie par la vitesse de transmission. - Récepteur :
le signal reçu est échantillonné avec une horloge de fréquence 16 fois supérieure à la fréquence de l'émetteur comme le monter la figure ci-contre. Cette information est transparente pour l'utilisateur qui doit paramétrer le récepteur avec la même vitesse de transmission que le récepteur.
Les différents codages sont :
- 8 ou 7 bits de données
- bit de parité ou non
- 1, 1.5 ou 2 bits de stop
Les différentes parités sont :
- paire (even) : nombre de bits de la donnée avec la parité est pair
- impaire (odd) : nombre de bits de la donnée avec la parité est impair
- espace : toujours à 0
- marque : toujours à 1
La transmission la plus utilisée est 8N1 qui signifie 8 bits de données, pas de parité, 1 bit de stop.
La figure ci-dessus représente la transmission de 2816 sur 8 bits de données, une parité impaire et un bit de stop
Transmission du signal
Cette transmission se fait en bande de base, c'est à dire que le signal binaire est transmis sans transformation par modulation. On a donc 1 bits/s=1baud.
Transmission NRZ (Non retour à Zéro)
L'intérêt de ce type de transmission est que l'on peut distingué un état logique d'un problème de connexion. Si la connexion est défectueuse, le récepteur recevra une tension nulle, tandis qu'il revevra une tension positive ou négative pour un état logique.
Normes
| RS232 | RS422 | RS485 | |
|---|---|---|---|
| Type de transmission | Référencé à la masse* | différentiel* | différentiel* |
| Nombre maximum d'émetteurs | 1 | 1 | 32 |
| Nombre maximum de récepteurs | 1 | 10 | 32 |
| Longueur maximale du câble (m) | 15 | 1200 | 1200 |
| Vitesse de transmission (kbs*) | 20 | 10000 | 10000 |
RS232 (normes V28 + V24)
- Le niveau 0 se situe entre +3v et +25v, en général +12v
- Le niveau 1 se situe entre -3v et -25v, en général -12v
- Le niveau 0 se situe entre +0,3v et +6v
- Le niveau 1 se situe entre -0,3v et -6v
De plus la liaison RS 485 utilise une sortie 3 états afin de permettre une liaison multipoints pour la connexion de plusieurs émetteurs.
Il existe également des normes pour les prises et câbles :
Appareil DTE pour Data Terminal Equipment qui représentait en général l'ordinateur
Appareil DCE pour Data Circuit-terminating Equipemnt qui représentait le modem pour la transmission
Exemple de prise DB9 (D sub-miniature) qui était utilisée sur les ordinateurs (côté soudure).
| broche DB9 | signal (DTE) | Description |
|---|---|---|
| 1 | DCD | Ligne prête à recevoir la transmission |
| 2 | RX | Réception de données |
| 3 | TX | Transmission de sonnées |
| 4 | DTR | Demande de transmission |
| 5 | GND | masse |
| 6 | DSR | Prêt à recevoir la transmission |
| 7 | RTS | Demande d'envoi de donnée |
| 8 | CTS | Prêt à recevoir une donnée |
| 9 | RI | Demande de communication |
Gestion des flux et protocoles
Si le récepteur ne suit pas à traiter les données reçues, il faut qu’il puisse demander à l’émetteur de d’arrêter temporairement la transmission, c’est le rôle de la gestion de flux. Pour cela il existe des signaux de contrôle de flux qui sont :
- DTR, DSR et DCD gère l’ensemble de la transmission.
- RTS et CTS gère le flux des données.
Il existe plusieurs protocoles de gestion du flux des données qui utilisent ou non ces signaux de contrôle.
Protocole matériel pour une connexion entre DTE et DCE. En pratique on utilise un cordon série droit.
Liaison null modem pour une connexion entre DTE et DTE. En pratique on utilise un cordon série croisé.
Protocole logiciel pour une connexion entre DTE et DTE. En pratique on parle de connexion 3 fils et on utilise un cordon série croisé.
Bien que la liaison série soit toujours utilisée dans les systèmes embarqués et objets connectés pour le déboguage et le dépannage, les ordinateurs n'ont plus de sortie série. Pour assurer la connexion série, quand cela est nécessaire, on utilise un adaptateur usb<->série.
Interface série sur l'atmega8
Elle possède uniquement les signaux RX et TX qui sont respectivement reliés aux bits 0 (nommé RXD) et 1 (nommé TXD) du port D. Les autres signaux ne sont pas implémentés.
Les possibilités de configuration sont :
- 5 à 9 bits de données
- pas de parité, parité paire ou impaire
- 1 ou 2 bits de stop
- Une vitesse de transmission comprise entre 2400 bauds et 38400 bauds.
- Pas de protocole de gestion de flux ou bien protocole logiciel.
Les niveaux électriques de l'atmega, comme tous les processeurs, ne sont pas compatibles avec les niveaux électriques des liaisons séries. Il faut donc utiliser un circuit d'adaptation, pour ne pas détruire le processeur.
Transmission synchrone
Transmission SPI
La transmission ou bus SPI (Serial Peripheral Interface) permet de connecter plusieurs circuits sur les mêmes lignes de signaux, chaque circuit est activé par un signal nommé SS (Slave Select) ou CS (Chip Select).
C'est une transmission synchrone avec une ligne d'horloge séparée.
Elle est utilisée pour l'échange de données avec les mémoire flash comme les SD ou encore avec certains capteurs qui intègrent une interface numérique.
Elle est composée des signaux :
- SCLK (Serial Clock) : généré par le maître ou SPC, SCL, SCK (Serial Clock) sur l’esclave.
- MOSI (Master Output Slave Input) : généré par le maître ou SDI (Serial Data In) sur l’esclave.
- MISO (Master Input Slave Output) : généré par l’esclave ou SDO (Serial Data Out) sur l’esclave.
- SS (Slave Select) : généré par le maître ou CS (Chip Select) sur l’esclave à raison d'un signal par circuit esclave.
Le bus SPI peut fonctionner en transmission 4 fils avec MOSI et MISO séparés, qui donne une liaison full-duplex ou bien en transmission 3 fils avec MISO et MOSI sur le même fil qui donne une liaison half-duplex.
Le bus SPI possède 4 modes de fonctionnement et deux possibilités d'ordre de bits : bit de poids fort en premier ou bit de poids faible en premier
Les 4 modes de fonctionnement sont décrits par le tableau suivant :
| Mode | Polarité horloge (CPOL) | Phase horloge (CPHA) | Commutation de bits | Capture du bit |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | ↓ | ↑ |
| 1 | 0 | 1 | ↑ | ↓ |
| 2 | 1 | 0 | ↑ | ↓ |
| 3 | 1 | 1 | ↓ | ↑ |
Le mode le plus utilisé est le mode 0.
Jeu de SPI
Demander un
Interface SPI sur l'atmega8
Elle utilise les bits 2 (SS), 3 (MOSI), 4 (MISO) et 5 (SCK) du port B. Elle fonctionne donc en half-duplex (4 fils) et peut être configurée en maître ou esclave.
La fréquence de l'horloge SCK correspond à la fréquence de l'horloge du circuit divisée par un coefficient compris entre 2 et 128 par pas de puissance de 2.
Transmission I2C
Présentation
Le bus I2C est un système de transmission synchrone avec une horloge séparée qui fonctionne en half-duplex. Ce type de transmission ne nécessite que deux fils, il n'y a pas de fil de sélection de circuit, celle -ci se fait avec la transmission de l'adresse dans la suite binaire.
Ce bus a été élaboré par Philips au début des années 1980 pour le grand public et utilisé dans les téléviseurs, récepteurs radio, autoradios,téléphones puis utilisé dans l’industrie, l’automobile, la domotique.
Il est également très utilisé comme bus de communication en robotique pour l'échange des données avec les capteurs et le commandes de moteurs.
Chaque circuit de ce bus se situe en fonctionnalités qui peuvent être combinées :
- Emetteur
C'est le circuit qui envoie les valeurs, qui sont l'adresse et/ou des données pour le maître ou bien en réponse à une demande pour l'esclave - Récepteur
C'est le circuit qui enregistre les valeurs reçues qui sont l'adresse suivies ou non de données pour l'esclave, ou bien des données en réponse à une demande pour le maître. - Maître
C'est le circuit qui initie toutes les communications sur le bus, et qui envoie donc les adresses, et, qui termine le transfert. - Esclave
C'est le circuit qui répond aux demandes après avoir reconnu l'adresse émise sur le bus comme étant la sienne.
Signaux et modes de fonctionnement
Le bus I2C comporte deux signaux : une horloge SCK (Serial Clock) et un signal de données SDA (Serial Data). Les entrées et sorties des circuits fonctionnent en collecteur ou drain ouvert. L'utilisation de cette technologie permet d'obtenir un état 0 prioritaire sur le bus.
La transmission commence toujours par l'adresse de l'esclave sur 7 bits plus un bit de sens d'échange de données (R/W) pour l'essentiel des bus mais peut être également sur 10 bits. Chaque esclave possède une adresse unique définie en partie à la construction du composant avec un ou deux bits de poids faible qui peuvent être définis par l'utilisateur. Ceci pour éviter les conflits lors de l'utilisation de composants fournis par le même constructeur sur le bus.
La priorité à l'état 0 permet de faire de ce bus, un système de transmission temps réel, car il permet de gérer les conflits d'accès au bus lorsque plusieurs maîtres se partagent le même bus. En effet chaque circuit qui émet une valeur sur le bus vérifie simultanément si la valeur qu'il veut émettre correspond à celle du bus. Si un circuit émet un 1 et qu'il lit un 0 sur le bus, cela signifie qu'il doit arrêter d'émettre, ce qui permet deux fonctions en mode multi-maîtres :
- Synchronisation
La priorité à l'état 0 favorise l'horloge la plus lente. Ce circuit maintiendra la sortie à 0 le plus longtemps, qui obligera les autres circuits à abandonner le bus. - Arbitrage
Si Plusieurs maîtres veulent utiliser le bus en même temps, au fur et à mesure de l'envoi des bits de l'adresse, le circuit qui lit un 0 alors qui envoie un 1 abandonne le bus. Il ne reste donc que le circuit qui présente l'adresse la plus basse.
Transmission des données sur le bus
La trame des bits est composée de l'adresse du périphérique, suivie des bits de données. Après chaque valeur, le récepteur positionne la ligne à 0 pour accuser réception de la valeur transmise (en rouge sur le graphe).
- S : start
- A7 ...A1 : adresse sur 7 bits
- R/W : lecture/écriture
- ACK : acquittement envoyé par l’esclave
- D7 ...D0 : donnée ou commande
- P : arrêt
SDA et SCL sont à l'état 1 : le bus est libre pour d'autres circuits
SCL = 1 : un front ↓ sur SDA indique le démarrage de la transmission
SCL = 0 : L'émetteur commute le bit de donnée SDA.
Cet état reste valable tout le long de la transmission.
SCL = 1 : SDA est stable la valeur du bit peut être lu par le récepteur.
Cet état reste valable tout le long de la transmission.
SCL = 1 : SDA ↑ pour indiquer la fin de transmission.
Caractéristiques
La technologie drain ou collecteur ouvert ne fourni pas d'état 1, cela est donc réalisée par des résistances connectées entre le plus VCC et les lignes SDA et SCL. Ces résistances sont appelées des résistances de tirage (pull-up).
Les niveaux de tensions des bus I2C sont adaptés aux tensions d'alimentations des circuits numériques qui utilisent ce bus. Un 0 est identifié si la tension de ne dépasse pas 0.3Vcc, un 1 est identifié si la tension ne descend pas en dessous de 0.7Vcc. A l'état bas la tension ne doit pas dépasser 0.4v pour un courant de 3mA.
- Chargeabilité statique
La limite de courant de 3mA impose la valeur minimum de la résistance de tirage. - Chargeabilité dynamique
Le débit de 100kbs impose une valeur de capacité de charge ainsi que la valeur maximale de la résistance de tirage.
Interface I2C sur l'atmega8
Elle utilise les bits 4 (SDA) et 5 (SCL) du port C. Elle peut être utilisée en maître, esclave, émetteur ou récepteur. En esclave l'adresse est entièrement configurable.
Elle utilise 7 bits pour l'adresse et peut fonctionner avec une fréquence d'horloge allant jusqu'à 400kHz.