Простые внешние устройства

По-видимому, самым простым из мыслимых (а также и из используемых) внешних устройств является порт вывода. Такие устройства являются стандартным компонентом большинства микропроцессорных систем. У микропроцессоров первых поколений порты реализовались отдельными микросхемами, у современных микроконтроллеров они обычно интегрированы в один кристалл с процессором.

Порт вывода представляет собой регистр и несколько выходных контактов. В литературе входные и выходные контакты микросхем обычно называют просто входами и выходами. Количество выходов порта, как правило, соответствует, и никогда не превосходит количества битов в регистре. Если в бит регистра записан ноль, напряжение на выходе порта будет низким, а если единица, то, соответственно, высоким. Большинство современных микропроцессорных комплектов используют так называемые ТТЛ-совместимые напряжения, когда нулю соответствует напряжение 0 В, а единице – 5 В или, при работе от источника питания с более низким напряжением, напряжение этого самого источника.

Поскольку и внутри процессора для представления нулей и единиц также используется высокое и низкое напряжение, порт полезен прежде всего тем, что имеет регистр – чтобы удержать напряжение на выходе, процессору достаточно один раз установить значение регистра. Кроме того, польза от порта состоит в том, что поддержание напряжения на выходе может потребовать пропускания через этот выход тока. Порты современных микроконтроллеров имеют внутреннее сопротивление около 200 Ом и способны без вреда для себя пропустить через вывод ток до 25 mA. Выводы шин адреса и данных микропроцессоров, как правило, рассчитаны на гораздо меньшие токи. Кроме того, порты часто имеют встроенные механизмы защиты от короткого замыкания, статического электричества и т. д. Применения порта вывода многообразны. Например, к нему можно присоединить светодиод и получить лампочку, миганием которой можно программно управлять (такие диоды часто используются при отладке программ для микроконтроллеров – вместо диагностической печати). Присоединив к выводу порта динамик, можно издавать различные звуки. Кроме того, к выводу порта можно присоединить внешнюю цифровую, аналоговую или электромеханическую схему (например, шаговый электродвигатель), которая будет выполнять какую-то полезную работу. Таким образом, порт вывода, как правило, не является внешним устройством сам по себе, а служит интерфейсом между микропроцессором и собственно внешним устройством.

Другое столь же простое устройство – это порт ввода. Порт ввода также состоит из регистра и нескольких входных линий, соответствующих битам регистра. Бит регистра имеет значение 0, если на вход подано низкое напряжение и, наоборот, 1 – если высокое. Понятно, что напряжение практически никогда не соответствует в точности 0 или 5 В, поэтому в спецификациях портов ввода всегда указывают диапазон напряжений, которые считаются нулем (например, от 0 до 0.5 В) и единицей (например, от 4 до 5 В), для промежуточных же напряжений значение соответствующего бита не определено (а на практике определяется случайными факторами). Регистр порта ввода часто называют регистром-защелкой (latch register), потому что основная его функция – зафиксировать напряжения на входах в определенный момент времени и передать их центральному процессору в виде однозначно (пусть и негарантированно правильно) определенных значений.

Разработчики микросхем часто совмещают входы портов ввода и выходы портов вывода, создавая таким образом комбинированное устройство – порт ввода-вывода. Такое устройство должно быть существенно сложнее, чем простая комбинация порта ввода и порта вывода.