微算機 Chaper3 Microcontroller Memory and I/O

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Main Memory

• 儲存instruction和data。對於8bit的微算機，memory也會被切成8-bit units，稱為memory words。
• PIC18F最多能有
  $2^{21}bytes$ 的program memory。
• data memory address長度是12-bit。所以PIC18F最多能存
  $2^{12}bytes$ ，ranging from 000 to FFF。
• PIC18F分割memory space into 16 contiguous banks of 256 byte。每個location可以以12 bits表示，可以是12-bit的address或者是8-bit low-order address加上4-bit Bank Pointer。
• Main memory分兩類：
  1. Read-Only Memory(ROM)
  2. Random-Access Memory(RAM)

Read-Only Memory(ROM)

• 使用CMOS技術去製造。
• 分以下幾個區塊：
  1. Mask ROMs：裡面的內容完全無法被使用者更動。
  2. EPROMs：可以被編程，能使用特殊的工具去修改裡面的東西。
  3. EEPROMs：可以不把 ROM 拔掉就修改裡面的東西，也被稱為 read-mostly memories ( RMMs )。
  4. Flash Memory：以EPROM和E2PROM的技術去設計，與EPROMs不一樣是，可以在板子上去改裡面的內容。 PIC18F 用這個當 program memory 。

Random-Access Memory

• 分兩類：
  1. static RAM(SRAM)：
     • 用flip-flops去儲存資料。
     • PIC18F 用這個去當 data memory 。
  2. dynamic RAM(DRAM)
     • 用電容器去儲存資料。
     • 在RAM中，儲存單元密度：DRAM > SRAM。

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Timing Diagrams

READ diagrams

• CPU 執行 instruction fetch 去讀取 op-code。
• CPU 把 op-code 轉換成讀取記憶體的操作。
• 當 clock 在 HIGH pin 時拿到 address 。
• 把 READ pin 也調高成 HIGH。
• MAR 把 RAM , ROM 的資料放到 data bus 然後 CPU 在把資料從data bus 的 pin D0~7 讀取。
• ( 待確認補充 ch3 p.22 )

write diagrams

• 一樣先抓取 op-code
• 把 op-code 轉換成 WRITE 指令，然後執行DATA STORE cycle。
• 一樣 clock 在 HIGH pin時拿到資料 ( 從A0~15 )。
• 同時CPU把 WRITE pin 也調到 HIGH。
• 把資料放到 pin D0~7。
• 然後從暫存器存到RAM。

Instruction fetch(IF)

• 抓取指令的操作，會根據時脈，一高一低過一個周期之後，把新的指令放到PC。

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Microcontroller Input/Output(I/O)

• microcontroller和I/O有兩種傳遞資料的方式：
  1. programmed I/O：由CPU執行的program發起要使用外部裝置。
  2. interrupt I/O：由外部裝置強制CPU暫停手上的作業，然後去滿足外部裝置的需求。

Programmed I/O

• microcontroller和external device藉由一或多個registers called I/O ports，每一個port可以被 Data Direction Register(DDR) 這個register去分配是input or output port。
• PIC18F在I/O port上，若對應DDR的bit為 1 則是 input；若對應bit為 0 則是 output。
• 當這個bit被分到output port但接收到input，此bit會被視為don't care項。
• I/O port are addressed using these two：
  1. standard I/O(port I/O)：執行IN,OUT instruction時會讓
     $M/\overline{IO}$ 為 LOW，而執行memory operation時 ( 例如 move )
     $M/\overline{IO}$ 為 HIGH。
  2. memory-mapped I/O：CPU使用一部分的memory addresses去表示I/O ports來操作並產生必要的control signals去執行I/O。PIC18F用這種。

  standard I/O和memory-mapped I/O我不是很確定喔

• 有兩種方式可以使用I/O：
  1. unconditional I/O：microcontroller可以在任何時間去使用external device。
  2. conditional I/O：microcontroller必須要等特定的時間狀況發生，才能output data到external device。也被稱為Polled I/O。
• 若不想依照condition，當然也可以使用Interrupt I/O：
  • 因為如果一直在等condition的迴圈裡面跑會占用CPU資源。
  • 如果要使用interrupt I/O，external device會連接到一個pin叫interrupt pin (INT)。
  • 當CPU被interrupt時，會儲存現在的program counter和status register進入stack。
  • 當最後interrupt service routine 回傳時，會把之前存的東西用回來繼續執行。
  • interrupt也有分兩種：
    1. external interrupt：由external device觸發，又分為兩種：
       1. maskable：可以被instruction去控制要不要被interrupt。
       2. nonmaskable：擁有比maskable更高的權限，不被instruction影響。多被用於發生電源問題時所執行的interrupt。PIC18F沒有這個東西。
    2. internal interrupt：都是maskable的，可以被instruction禁止。由內部condition所觸發。
• Interrupt Address Vector：用來找到starting address of the service routine(常為interrupt address vector) ( vector 裡面每格存此 interrupt 要如何處理的函式位置 )
• Saving the Microcontroller Registers：當interrupt發生時，把program counter(PC)和status register(SR)的內容丟入stack裡的地方。